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  • Search for leptoquark pair production decaying into $$te^- \bar{t}e^+$$ or $$t\mu ^- \bar{t}\mu ^+$$ in multi-lepton final states in pp collisions at $$\sqrt{s} = 13\,\textrm{TeV}$$ with the ATLAS detector

This content will become publicly available on August 1, 2025

Title: Search for leptoquark pair production decaying into $$te^- \bar{t}e^+$$ or $$t\mu ^- \bar{t}\mu ^+$$ in multi-lepton final states in pp collisions at $$\sqrt{s} = 13\,\textrm{TeV}$$ with the ATLAS detector
Abstract A search for leptoquark pair production decaying into$$te^- \bar{t}e^+$$ t e - t ¯ e + or$$t\mu ^- \bar{t}\mu ^+$$ t μ - t ¯ μ + in final states with multiple leptons is presented. The search is based on a dataset ofppcollisions at$$\sqrt{s}=13~\text {TeV} $$ s = 13 TeV recorded with the ATLAS detector during Run 2 of the Large Hadron Collider, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$ - 1 . Four signal regions, with the requirement of at least three light leptons (electron or muon) and at least two jets out of which at least one jet is identified as coming from ab-hadron, are considered based on the number of leptons of a given flavour. The main background processes are estimated using dedicated control regions in a simultaneous fit with the signal regions to data. No excess above the Standard Model background prediction is observed and 95% confidence level limits on the production cross section times branching ratio are derived as a function of the leptoquark mass. Under the assumption of exclusive decays into$$te^{-}$$ t e - ($$t\mu ^{-}$$ t μ - ), the corresponding lower limit on the scalar mixed-generation leptoquark mass$$m_{\textrm{LQ}_{\textrm{mix}}^{\textrm{d}}}$$ m LQ mix d is at 1.58 (1.59) TeV and on the vector leptoquark mass$$m_{{\tilde{U}}_1}$$ m U ~ 1 at 1.67 (1.67) TeV in the minimal coupling scenario and at 1.95 (1.95) TeV in the Yang–Mills scenario.  more » « less
Award ID(s):
2111226
PAR ID:
10539264
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Eur.Phys.J.C 84 (2024) 8, 818
Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
84
Issue:
8
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; (, The European Physical Journal C)
    Abstract A model based on a$$U(1)_{T^3_R}$$ U ( 1 ) T R 3 extension of the Standard Model can address the mass hierarchy between generations of fermions, explain thermal dark matter abundance, and the muon$$g - 2$$ g - 2 ,$$R_{(D)}$$ R ( D ) , and$$R_{(D^*)}$$ R ( D ∗ ) anomalies. The model contains a light scalar boson$$\phi '$$ ϕ ′ and a heavy vector-like quark$$\chi _\textrm{u}$$ χ u that can be probed at CERN’s large hadron collider (LHC). We perform a phenomenology study on the production of$$\phi '$$ ϕ ′ and$${\chi }_u$$ χ u particles from proton–proton$$(\textrm{pp})$$ ( pp ) collisions at the LHC at$$\sqrt{s}=13.6$$ s = 13.6 TeV, primarily through$$g{-g}$$ g - g and$$t{-\chi _\textrm{u}}$$ t - χ u fusion. We work under a simplified model approach and directly take the$$\chi _\textrm{u}$$ χ u and$$\phi '$$ ϕ ′ masses as free parameters. We perform a phenomenological analysis considering$$\chi _\textrm{u}$$ χ u final states to b-quarks, muons, and neutrinos, and$$\phi '$$ ϕ ′ decays to$$\mu ^+\mu ^-$$ μ + μ - . A machine learning algorithm is used to maximize the signal sensitivity, considering an integrated luminosity of 3000$$\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The proposed methodology can be a key mode for discovery over a large mass range, including low masses, traditionally considered difficult due to experimental constraints. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract The total charm-quark production cross section per unit of rapidity$$\textrm{d}\sigma ({{\textrm{c}}\overline{\textrm{c}}})/\textrm{d}y$$ d σ ( c c ¯ ) / d y , and the fragmentation fractions of charm quarks to different charm-hadron species$$f(\textrm{c}\rightarrow {\textrm{h}}_{\textrm{c}})$$ f ( c → h c ) , are measured for the first time in p–Pb collisions at$$\sqrt{s_\textrm{NN}} = 5.02~\text {Te}\hspace{-1.00006pt}\textrm{V} $$ s NN = 5.02 Te V at midrapidity ($$-0.96<0.04$$ - 0.96 < y < 0.04 in the centre-of-mass frame) using data collected by ALICE at the CERN LHC. The results are obtained based on all the available measurements of prompt production of ground-state charm-hadron species:$$\textrm{D}^{0}$$ D 0 ,$$\textrm{D}^{+}$$ D + ,$$\textrm{D}_\textrm{s}^{+}$$ D s + , and$$\mathrm {J/\psi }$$ J / ψ mesons, and$$\Lambda _\textrm{c}^{+}$$ Λ c + and$$\Xi _\textrm{c}^{0}$$ Ξ c 0 baryons. The resulting cross section is$$ \textrm{d}\sigma ({{\textrm{c}}\overline{\textrm{c}}})/\textrm{d}y =219.6 \pm 6.3\;(\mathrm {stat.}) {\;}_{-11.8}^{+10.5}\;(\mathrm {syst.}) {\;}_{-2.9}^{+8.3}\;(\mathrm {extr.})\pm 5.4\;(\textrm{BR})\pm 4.6\;(\mathrm {lumi.}) \pm 19.5\;(\text {rapidity shape})+15.0\;(\Omega _\textrm{c}^{0})\;\textrm{mb} $$ d σ ( c c ¯ ) / d y = 219.6 ± 6.3 ( stat . ) - 11.8 + 10.5 ( syst . ) - 2.9 + 8.3 ( extr . ) ± 5.4 ( BR ) ± 4.6 ( lumi . ) ± 19.5 ( rapidity shape ) + 15.0 ( Ω c 0 ) mb , which is consistent with a binary scaling of pQCD calculations from pp collisions. The measured fragmentation fractions are compatible with those measured in pp collisions at$$\sqrt{s} = 5.02$$ s = 5.02 and 13 TeV, showing an increase in the relative production rates of charm baryons with respect to charm mesons in pp and p–Pb collisions compared with$$\mathrm {e^{+}e^{-}}$$ e + e - and$$\mathrm {e^{-}p}$$ e - p collisions. The$$p_\textrm{T}$$ p T -integrated nuclear modification factor of charm quarks,$$R_\textrm{pPb}({\textrm{c}}\overline{\textrm{c}})= 0.91 \pm 0.04\;\mathrm{(stat.)} ^{+0.08}_{-0.09}\;\mathrm{(syst.)} ^{+0.05}_{-0.03}\;\mathrm{(extr.)} \pm 0.03\;\mathrm{(lumi.)}$$ R pPb ( c c ¯ ) = 0.91 ± 0.04 ( stat . ) - 0.09 + 0.08 ( syst . ) - 0.03 + 0.05 ( extr . ) ± 0.03 ( lumi . ) , is found to be consistent with unity and with theoretical predictions including nuclear modifications of the parton distribution functions. 
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  3. ; ; ; ; (, The European Physical Journal C)
    Abstract Leptoquarks ($$\textrm{LQ}$$ LQ s) are hypothetical particles that appear in various extensions of the Standard Model (SM), that can explain observed differences between SM theory predictions and experimental results. The production of these particles has been widely studied at various experiments, most recently at the Large Hadron Collider (LHC), and stringent bounds have been placed on their masses and couplings, assuming the simplest beyond-SM (BSM) hypotheses. However, the limits are significantly weaker for$$\textrm{LQ}$$ LQ models with family non-universal couplings containing enhanced couplings to third-generation fermions. We present a new study on the production of a$$\textrm{LQ}$$ LQ at the LHC, with preferential couplings to third-generation fermions, considering proton-proton collisions at$$\sqrt{s} = 13 \, \textrm{TeV}$$ s = 13 TeV and$$\sqrt{s} = 13.6 \, \textrm{TeV}$$ s = 13.6 TeV . Such a hypothesis is well motivated theoretically and it can explain the recent anomalies in the precision measurements of$$\textrm{B}$$ B -meson decay rates, specifically the$$R_{D^{(*)}}$$ R D ( ∗ ) ratios. Under a simplified model where the$$\textrm{LQ}$$ LQ masses and couplings are free parameters, we focus on cases where the$$\textrm{LQ}$$ LQ decays to a$$\tau $$ τ lepton and a$$\textrm{b}$$ b quark, and study how the results are affected by different assumptions about chiral currents and interference effects with other BSM processes with the same final states, such as diagrams with a heavy vector boson,$$\textrm{Z}^{\prime }$$ Z ′ . The analysis is performed using machine learning techniques, resulting in an increased discovery reach at the LHC, allowing us to probe new physics phase space which addresses the$$\textrm{B}$$ B -meson anomalies, for$$\textrm{LQ}$$ LQ masses up to$$5.00\, \textrm{TeV}$$ 5.00 TeV , for the high luminosity LHC scenario. 
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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract The elliptic flow$$(v_2)$$ ( v 2 ) of$${\textrm{D}}^{0}$$ D 0 mesons from beauty-hadron decays (non-prompt$${\textrm{D}}^{0})$$ D 0 ) was measured in midcentral (30–50%) Pb–Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon pair$$\sqrt{s_{\textrm{NN}}} = 5.02$$ s NN = 5.02  TeV with the ALICE detector at the LHC. The$${\textrm{D}}^{0}$$ D 0 mesons were reconstructed at midrapidity$$(|y|<0.8)$$ ( | y | < 0.8 ) from their hadronic decay$$\mathrm {D^0 \rightarrow K^-\uppi ^+}$$ D 0 → K - π + , in the transverse momentum interval$$2< p_{\textrm{T}} < 12$$ 2 < p T < 12  GeV/c. The result indicates a positive$$v_2$$ v 2 for non-prompt$${{\textrm{D}}^{0}}$$ D 0 mesons with a significance of 2.7$$\sigma $$ σ . The non-prompt$${{\textrm{D}}^{0}}$$ D 0 -meson$$v_2$$ v 2 is lower than that of prompt non-strange D mesons with 3.2$$\sigma $$ σ significance in$$2< p_\textrm{T} < 8~\textrm{GeV}/c$$ 2 < p T < 8 GeV / c , and compatible with the$$v_2$$ v 2 of beauty-decay electrons. Theoretical calculations of beauty-quark transport in a hydrodynamically expanding medium describe the measurement within uncertainties. 
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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract The transverse momentum ($$p_{\textrm{T}}$$ p T ) differential production cross section of the promptly produced charm-strange baryon$$\mathrm {\Xi _{c}^{0}}$$ Ξ c 0 (and its charge conjugate$$\overline{\mathrm {\Xi _{c}^{0}}}$$ Ξ c 0 ¯ ) is measured at midrapidity via its hadronic decay into$$\mathrm{\pi ^{+}}\Xi ^{-}$$ π + Ξ - in p–Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon–nucleon collision$$\sqrt{s_{\textrm{NN}}}~=~5.02$$ s NN = 5.02  TeV with the ALICE detector at the LHC. The$$\mathrm {\Xi _{c}^{0}}$$ Ξ c 0 nuclear modification factor ($$R_{\textrm{pPb}}$$ R pPb ), calculated from the cross sections in pp and p–Pb collisions, is presented and compared with the$$R_{\textrm{pPb}}$$ R pPb of$$\mathrm {\Lambda _{c}^{+}}$$ Λ c + baryons. The ratios between the$$p_{\textrm{T}}$$ p T -differential production cross section of$$\mathrm {\Xi _{c}^{0}}$$ Ξ c 0 baryons and those of$$\mathrm {D^0}$$ D 0 mesons and$$\mathrm {\Lambda _{c}^{+}}$$ Λ c + baryons are also reported and compared with results at forward and backward rapidity from the LHCb Collaboration. The measurements of the production cross section of prompt$$\Xi ^0_\textrm{c}$$ Ξ c 0 baryons are compared with a model based on perturbative QCD calculations of charm-quark production cross sections, which includes only cold nuclear matter effects in p–Pb collisions, and underestimates the measurement by a factor of about 50. This discrepancy is reduced when the data is compared with a model that includes string formation beyond leading-colour approximation or in which hadronisation is implemented via quark coalescence. The$$p_{\textrm{T}}$$ p T -integrated cross section of prompt$$\Xi ^0_\textrm{c}$$ Ξ c 0 -baryon production at midrapidity extrapolated down to$$p_{\textrm{T}}$$ p T = 0 is also reported. These measurements offer insights and constraints for theoretical calculations of the hadronisation process. Additionally, they provide inputs for the calculation of the charm production cross section in p–Pb collisions at midrapidity. 
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