Title: Identification of low-momentum muons in the CMS detector using multivariate techniques in proton-proton collisions at sqrt(s) = 13.6 TeV
Abstract “Soft” muons with a transverse momentum below 10 GeV are featured in many processes studied by the CMS experiment, such as decays of heavy-flavor hadrons or rare tau lepton decays. Maximizing the selection efficiency for these muons, while simultaneously suppressing backgrounds from long-lived light-flavor hadron decays, is therefore important for the success of the CMS physics program. Multivariate techniques have been shown to deliver better muon identification performance than traditional selection techniques. To take full advantage of the large data set currently being collected during Run 3 of the CERN LHC, a new multivariate classifier based on a gradient-boosted decision tree has been developed. It offers a significantly improved separation of signal and background muons compared to a similar classifier used for the analysis of the Run 2 data. The performance of the new classifier is evaluated on a data set collected with the CMS detector in 2022 and 2023, corresponding to an integrated luminosity of 62 fb-1 more » « less
Award ID(s):
2209553 2121686
PAR ID:
10630222
Author(s) / Creator(s):
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Journal of Instrumentation
Date Published:
Journal Name:
Journal of Instrumentation
Volume:
20
Issue:
04
ISSN:
1748-0221
Page Range / eLocation ID:
P04021
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Medium: X
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  1. Abstract The identification of prompt and isolated muons, as well as muons from heavy-flavour hadron decays, is an important task. We developed two multivariate techniques to provide highly efficient identification for muons with transverse momentum greater than 10 GeV. One provides a continuous variable as an alternative to a cut-based identification selection and offers a better discrimination power against misidentified muons. The other one selects prompt and isolated muons by using isolation requirements to reduce the contamination from nonprompt muons arising in heavy-flavour hadron decays. Both algorithms are developed using 59.7 fb-1of proton-proton collisions data at a centre-of-mass energy of √(s)=13 TeV collected in 2018 with the CMS experiment at the CERN LHC. 
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  2. A<sc>bstract</sc> An inclusive search for long-lived exotic particles (LLPs) decaying to final states with a pair of muons is presented. The search uses data corresponding to an integrated luminosity of 36.6 fb−1collected by the CMS experiment from the proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13.6 TeV in 2022, the first year of Run 3 of the CERN LHC. The experimental signature is a pair of oppositely charged muons originating from a secondary vertex spatially separated from the proton-proton interaction point by distances ranging from several hundredμm to several meters. The sensitivity of the search benefits from new triggers for displaced dimuons developed for Run 3. The results are interpreted in the framework of the hidden Abelian Higgs model, in which the Higgs boson decays to a pair of long-lived dark photons, and of anR-parity violating supersymmetry model, in which long-lived neutralinos decay to a pair of muons and a neutrino. The limits set on these models are the most stringent to date in wide regions of lifetimes for LLPs with masses larger than 10 GeV. 
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  3. A<sc>bstract</sc> A search for nonresonant new physics phenomena in high-mass dilepton events produced in association with b-tagged jets is performed using proton-proton collision data collected in 2016–2018 by the CMS experiment at the CERN LHC, at a center-of-mass energy of 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The analysis considers two effective field theory models with dimension-six operators; involving four-fermion contact interactions between two leptons (ℓℓ, electrons or muons) and b or s quarks (bbℓℓand bsℓℓ). Two lepton flavor combinations (ee andμμ) are required and events are classified as having 0, 1, or ≥2 b-tagged jets in the final state. No significant excess is observed over the standard model backgrounds. Upper limits are set on the production cross section of the new physics signals. These translate into lower limits on the energy scale Λ of 6.9 to 9.0 TeV in the bbℓℓmodel, depending on model parameters, and on the ratio of energy scale and effective coupling, Λ/g*, of 2.0 to 2.6 TeV in the bsℓℓmodel. Lepton flavor universality is also tested by comparing the dielectron (ee) and dimuon (μμ) mass spectra for different b-tagged jet multiplicities. No significant deviation from the standard model expectation of unity is observed. 
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  4. A<sc>bstract</sc> A search is reported for heavy resonances and quantum black holes decaying into eμ, eτ, and μτ final states in proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC during 2016–2018 at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The eμ, eτ, and μτ invariant mass spectra are reconstructed, and no evidence is found for physics beyond the standard model. Upper limits are set at 95% confidence level on the product of the cross section and branching fraction for lepton flavor violating signals. Three benchmark signals are studied: resonant τ sneutrino production inRparity violating supersymmetric models, heavy Z′ gauge bosons with lepton flavor violating decays, and nonresonant quantum black hole production in models with extra spatial dimensions. Resonant τ sneutrinos are excluded for masses up to 4.2TeV in the eμ channel, 3.7TeV in the eτ channel, and 3.6TeV in the μτ channel. A Z′ boson with lepton flavor violating couplings is excluded up to a mass of 5.0TeV in the eμ channel, up to 4.3Te V in the eτ channel, and up to 4.1TeV in the μτ channel. Quantum black holes in the benchmark model are excluded up to the threshold mass of 5.6TeV in the eμ channel, 5.2TeV in the eτ channel, and 5.0TeV in the μτ channel. In addition, model-independent limits are extracted to allow comparisons with other models for the same final states and similar event selection requirements. The results of these searches provide the most stringent limits available from collider experiments for heavy particles that undergo lepton flavor violating decays. 
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  5. A<sc>bstract</sc> A search for “emerging jets” produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is performed using data collected by the CMS experiment corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. This search examines a hypothetical dark quantum chromodynamics (QCD) sector that couples to the standard model (SM) through a scalar mediator. The scalar mediator decays into an SM quark and a dark sector quark. As the dark sector quark showers and hadronizes, it produces long-lived dark mesons that subsequently decay into SM particles, resulting in a jet, known as an emerging jet, with multiple displaced vertices. This search looks for pair production of the scalar mediator at the LHC, which yields events with two SM jets and two emerging jets at leading order. The results are interpreted using two dark sector models with different flavor structures, and exclude mediator masses up to 1950 (1950) GeV for an unflavored (flavor-aligned) dark QCD model. The unflavored results surpass a previous search for emerging jets by setting the most stringent mediator mass exclusion limits to date, while the flavor-aligned results provide the first direct mediator mass exclusion limits to date. 
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