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  • NSF Public Access
  • Search Results
  • Search for heavy long-lived charged particles with large ionization energy loss in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV

This content will become publicly available on April 1, 2026

Title: Search for heavy long-lived charged particles with large ionization energy loss in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A<sc>bstract</sc> A search for heavy, long-lived, charged particles with large ionization energy loss within the silicon tracker of the CMS experiment is presented. A data set of proton-proton collisions at a center of mass energy at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, collected in 2017 and 2018 at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of 101 fb−1, is used in this analysis. Two different approaches for the search are taken. A new method exploits the independence of the silicon pixel and strips measurements, while the second method improves on previous techniques using ionization to determine a mass selection. No significant excess of events above the background expectation is observed. The results are interpreted in the context of the pair production of supersymmetric particles, namely gluinos, top squarks, and tau sleptons, and of the Drell-Yan pair production of fourth generation (τ′) leptons with an electric charge equal to or twice the absolute value of the electron charge (e). An interpretation of a Z’ boson decaying to twoτ′ leptons with an electric charge equal to 2eis presented for the first time. The 95% confidence upper limits on the production cross section are extracted for each of these hypothetical particles.  more » « less
Award ID(s):
2235028 2310072
PAR ID:
10594136
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2025
Issue:
4
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> The polarization ofτleptons is measured using leptonic and hadronicτlepton decays in Z →τ+τ−events in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by CMS at the CERN LHC with an integrated luminosity of 36.3 fb−1. The measuredτ−lepton polarization at the Z boson mass pole is$$ {\mathcal{P}}_{\tau}\left(\textrm{Z}\right) $$ P τ Z = −0.144 ± 0.006 (stat) ± 0.014 (syst) = −0.144 ± 0.015, in good agreement with the measurement of theτlepton asymmetry parameter ofAτ= 0.1439 ± 0.0043 =$$ -{\mathcal{P}}_{\tau}\left(\textrm{Z}\right) $$ − P τ Z at LEP. Theτlepton polarization depends on the ratio of the vector to axial-vector couplings of theτleptons in the neutral current expression, and thus on the effective weak mixing angle sin2$$ {\theta}_{\textrm{W}}^{\textrm{eff}} $$ θ W eff , independently of the Z boson production mechanism. The obtained value sin2$$ {\theta}_{\textrm{W}}^{\textrm{eff}} $$ θ W eff = 0.2319 ± 0.0008(stat) ± 0.0018(syst) = 0.2319 ± 0.0019 is in good agreement with measurements ate+e−colliders. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> Three searches are presented for signatures of physics beyond the standard model (SM) inττfinal states in proton-proton collisions at the LHC, using a data sample collected with the CMS detector at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. Upper limits at 95% confidence level (CL) are set on the products of the branching fraction for the decay intoτleptons and the cross sections for the production of a new bosonϕ, in addition to the H(125) boson, via gluon fusion (ggϕ) or in association with b quarks, ranging from$$ \mathcal{O} $$ O (10 pb) for a mass of 60 GeV to 0.3 fb for a mass of 3.5 TeV each. The data reveal two excesses for ggϕproduction with localp-values equivalent to about three standard deviations atmϕ= 0.1 and 1.2 TeV. In a search fort-channel exchange of a vector leptoquark U1, 95% CL upper limits are set on the dimensionless U1leptoquark coupling to quarks andτleptons ranging from 1 for a mass of 1 TeV to 6 for a mass of 5 TeV, depending on the scenario. In the interpretations of the$$ {M}_{\textrm{h}}^{125} $$ M h 125 and$$ {M}_{\textrm{h},\textrm{EFT}}^{125} $$ M h , EFT 125 minimal supersymmetric SM benchmark scenarios, additional Higgs bosons with masses below 350 GeV are excluded at 95% CL. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A measurement of the top quark pole mass$$ {m}_{\textrm{t}}^{\textrm{pole}} $$ m t pole in events where a top quark-antiquark pair ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ ) is produced in association with at least one additional jet ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ +jet) is presented. This analysis is performed using proton-proton collision data at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV collected by the CMS experiment at the CERN LHC, corresponding to a total integrated luminosity of 36.3 fb−1. Events with two opposite-sign leptons in the final state (e+e−,μ+μ−, e±μ∓) are analyzed. The reconstruction of the main observable and the event classification are optimized using multivariate analysis techniques based on machine learning. The production cross section is measured as a function of the inverse of the invariant mass of the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ +jet system at the parton level using a maximum likelihood unfolding. Given a reference parton distribution function (PDF), the top quark pole mass is extracted using the theoretical predictions at next-to-leading order. For the ABMP16NLO PDF, this results in$$ {m}_{\textrm{t}}^{\textrm{pole}} $$ m t pole = 172.93±1.36 GeV. 
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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> This paper presents a search for hypothetical massive, charged, long-lived particles with the ATLAS detector at the LHC using an integrated luminosity of 139 fb−1of proton–proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. These particles are expected to move significantly slower than the speed of light and should be identifiable by their high transverse momenta and anomalously large specific ionisation losses, dE/dx. Trajectories reconstructed solely by the inner tracking system and a dE/dxmeasurement in the pixel detector layers provide sensitivity to particles with lifetimes down to$$ \mathcal{O} $$ O (1) ns with a mass, measured using the Bethe–Bloch relation, ranging from 100 GeV to 3 TeV. Interpretations for pair-production ofR-hadrons, charginos and staus in scenarios of supersymmetry compatible with these particles being long-lived are presented, with mass limits extending considerably beyond those from previous searches in broad ranges of lifetime. 
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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> The paper presents a search for supersymmetric particles produced in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV and decaying into final states with missing transverse momentum and jets originating from charm quarks. The data were taken with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN from 2015 to 2018 and correspond to an integrated luminosity of 139 fb−1. No significant excess of events over the expected Standard Model background expectation is observed in optimized signal regions, and limits are set on the production cross-sections of the supersymmetric particles. Pair production of charm squarks or top squarks, each decaying into a charm quark and the lightest supersymmetric particle$$ {\overset{\sim }{\chi}}_1^0 $$ χ ~ 1 0 , is excluded at 95% confidence level for squarks with masses up to 900 GeV for scenarios where the mass of$$ {\overset{\sim }{\chi}}_1^0 $$ χ ~ 1 0 is below 50 GeV. Additionally, the production of leptoquarks with masses up to 900 GeV is excluded for the scenario where up-type leptoquarks decay into a charm quark and a neutrino. Model-independent limits on cross-sections and event yields for processes beyond the Standard Model are also reported. 
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