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  • NSF Public Access
  • Search Results
  • Search for dark matter production in association with a single top quark in proton-proton collisions at $$\sqrt{{\varvec{s}}}=13$$ TeV

This content will become publicly available on September 1, 2026

Title: Search for dark matter production in association with a single top quark in proton-proton collisions at $$\sqrt{{\varvec{s}}}=13$$ TeV
A<sc>bstract</sc> A search for the production of a single top quark in association with invisible particles is performed using proton-proton collision data collected with the CMS detector at the LHC at$$\sqrt{s}=13$$TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. In this search, a flavor-changing neutral current produces a single top quark or antiquark and an invisible state nonresonantly. The invisible state consists of a hypothetical spin-1 particle acting as a new mediator and decaying to two spin-1/2 dark matter candidates. The analysis searches for events in which the top quark or antiquark decays hadronically. No significant excess of events compatible with that signature is observed. Exclusion limits at 95% confidence level are placed on the masses of the spin-1 mediator and the dark matter candidates, and are compared to constraints from the dark matter relic density measurements. In a vector (axial-vector) coupling scenario, masses of the spin-1 mediator are excluded up to 1.85 (1.85) TeV with an expectation of 2.0 (2.0) TeV, whereas masses of the dark matter candidates are excluded up to 0.75 (0.55) TeV with an expectation of 0.85 (0.65) TeV.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10643498
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer Nature
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2025
Issue:
9
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> A search for events with one top quark and missing transverse momentum in the final state is presented. The fully hadronic decay of the top quark is explored by selecting events with a reconstructed boosted top-quark topology produced in association with large missing transverse momentum. The analysis uses 139 fb−1of proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded during 2015-2018 by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The results are interpreted in the context of simplified models for Dark Matter particle production and the single production of a vector-likeTquark. Without significant excess relative to the Standard Model expectations, 95% confidence-level upper limits on the corresponding cross-sections are obtained. The production of Dark Matter particles in association with a single top quark is excluded for masses of a scalar (vector) mediator up to 4.3 (2.3) TeV, assumingmχ= 1 GeV and the model couplingsλq= 0.6 andλχ= 0.4 (a= 0.5 andgχ= 1). The production of a single vector-likeTquark is excluded for masses below 1.8 TeV assuming a coupling to the top quarkκT= 0.5 and a branching ratio forT → Ztof 25%. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search is conducted for new phenomena in events with a top quark pair and large missing transverse momentum, where the top quark pair is reconstructed in final states with one isolated electron or muon and multiple jets. The search is performed using the Large Hadron Collider proton-proton collision data sample at a centre-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by the ATLAS detector that corresponds to an integrated luminosity of 140 fb−1. An analysis based on neural network classifiers is optimised to search for directly produced pairs of supersymmetric partners of the top quark (stop), and to search for spin-0 mediators, produced in association with a pair of top quarks, that decay into dark-matter particles. In the stop search, the analysis is designed to target models in which the mass difference between the stop and the neutralino from the stop decay is close to the top quark mass. This new search is combined with previously published searches in final states with different lepton multiplicities. No significant excess above the Standard Model background is observed, and limits at 95% confidence level are set. Models with neutralinos with masses up to 570 GeV are excluded, while for small neutralino masses models are excluded for stop masses up to 1230 GeV. Scalar (pseudoscalar) dark matter mediator masses as large as 350 (370) GeV are excluded when the coupling strengths of the mediator to Standard Model and dark-matter particles are both set to one. At lower mediator masses, models with production cross-sections as small as 0.15 (0.16) times the nominal predictions are excluded. Results of this search are also used to set constraints on effective four-fermion contact interactions between top quarks and neutrinos. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract This paper presents a statistical combination of searches targeting final states with two top quarks and invisible particles, characterised by the presence of zero, one or two leptons, at least one jet originating from ab-quark and missing transverse momentum. The analyses are searches for phenomena beyond the Standard Model consistent with the direct production of dark matter inppcollisions at the LHC, using 139 fb$$^{-\text {1}}$$ - 1 of data collected with the ATLAS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The results are interpreted in terms of simplified dark matter models with a spin-0 scalar or pseudoscalar mediator particle. In addition, the results are interpreted in terms of upper limits on the Higgs boson invisible branching ratio, where the Higgs boson is produced according to the Standard Model in association with a pair of top quarks. For scalar (pseudoscalar) dark matter models, with all couplings set to unity, the statistical combination extends the mass range excluded by the best of the individual channels by 50 (25) GeV, excluding mediator masses up to 370 GeV. In addition, the statistical combination improves the expected coupling exclusion reach by 14% (24%), assuming a scalar (pseudoscalar) mediator mass of 10 GeV. An upper limit on the Higgs boson invisible branching ratio of 0.38 ($$\text {0.30}^{+\text {0.13}}_{-\text {0.09}}$$ 0.30 - 0.09 + 0.13 ) is observed (expected) at 95% confidence level. 
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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for W′ bosons decaying to a top and a bottom quark in final states including an electron or a muon is performed with the CMS detector at the LHC. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. Good agreement with the standard model expectation is observed and no evidence for the existence of the W′ boson is found over the mass range examined. The largest observed deviation from the standard model expectation is found for a W′ boson mass ($$ {m}_{{\textrm{W}}^{\prime }} $$ m W ′ ) hypothesis of 3.8 TeV with a relative decay width of 1%, with a local (global) significance of 2.6 (2.0) standard deviations. Upper limits on the production cross sections of W′ bosons decaying to a top and a bottom quark are set. Left- and right-handed W′ bosons with$$ {m}_{{\textrm{W}}^{\prime }} $$ m W ′ below 3.9 and 4.3 TeV, respectively, are excluded at the 95% confidence level, under the assumption that the new particle has a narrow decay width. Limits are also set for relative decay widths up to 30%. 
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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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