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  • Search for vector-like leptons with long-lived particle decays in the CMS muon system in proton-proton collisions at $$\sqrt{\text{s}}$$ = 13 TeV

This content will become publicly available on August 1, 2026

Title: Search for vector-like leptons with long-lived particle decays in the CMS muon system in proton-proton collisions at $$\sqrt{\text{s}}$$ = 13 TeV
A<sc>bstract</sc> A first search is presented for vector-like leptons (VLLs) exclusively decaying into a light long-lived pseudoscalar boson and a standard modelτlepton. The pseudoscalar boson is assumed to have a mass below theτ+τ−threshold, so that it decays exclusively into two photons. It is identified using the CMS muon system. The analysis is carried out using a data set of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV collected by the CMS experiment in 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. Selected events contain at least one pseudoscalar boson decaying electromagnetically in the muon system and at least one hadronically decayingτlepton. No significant excess of data events is observed compared to the background expectation. Upper limits are set at 95% confidence level on the vector-like lepton production cross section as a function of the VLL mass and the pseudoscalar boson mean proper decay length. The observed and expected exclusion ranges of the VLL mass extend up to 700 and 670 GeV, respectively, depending on the pseudoscalar boson lifetime.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10651448
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:
8
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    null (Ed.)
    A bstract A search for a light pseudoscalar Higgs boson (a) decaying from the 125 GeV (or a heavier) scalar Higgs boson (H) is performed using the 2016 LHC proton-proton collision data at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 35 . 9 fb − 1 , collected by the CMS experiment. The analysis considers gluon fusion and vector boson fusion production of the H, followed by the decay H → aa → μμττ , and considers pseudoscalar masses in the range 3 . 6 < m a < 21 GeV. Because of the large mass difference between the H and the a bosons and the small masses of the a boson decay products, both the μμ and the ττ pairs have high Lorentz boost and are collimated. The ττ reconstruction efficiency is increased by modifying the standard technique for hadronic τ lepton decay reconstruction to account for a nearby muon. No significant signal is observed. Model-independent limits are set at 95% confidence level, as a function of m a , on the branching fraction (ℬ) for H → aa → μμττ , down to 1 . 5 (2 . 0) × 10 − 4 for m H = 125 (300) GeV. Model-dependent limits on ℬ(H → aa) are set within the context of two Higgs doublets plus singlet models, with the most stringent results obtained for Type-III models. These results extend current LHC searches for heavier a bosons that decay to resolved lepton pairs and provide the first such bounds for an H boson with a mass above 125 GeV. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for a charged Higgs boson H±decaying into a heavy neutral Higgs boson H and a W boson is presented. The analysis targets the H decay into a pair of tau leptons with at least one of them decaying hadronically and with an additional electron or muon present in the event. The search is based on proton-proton collision data recorded by the CMS experiment during 2016–2018 at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The data are consistent with standard model background expectations. Upper limits at 95% confidence level are set on the product of the cross section and branching fraction for an H±in the mass range of 300–700 GeV, assuming an H with a mass of 200 GeV. The observed limits range from 0.085 pb for an H±mass of 300 Ge V to 0.019 pb for a mass of 700 GeV. These are the first limits on H±production in the H±→HW±decay channel at the LHC. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 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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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for long-lived heavy neutrinos (N) in the decays of B mesons produced in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV is presented. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 41.6 fb−1collected in 2018 by the CMS experiment at the CERN LHC, using a dedicated data stream that enhances the number of recorded events containing B mesons. The search probes heavy neutrinos with masses in the range 1 <mN< 3 GeV and decay lengths in the range 10−2<cτN< 104mm, where τNis the N proper mean lifetime. Signal events are defined by the signature B →ℓBNX; N →ℓ±π∓, where the leptonsℓBandℓcan be either a muon or an electron, provided that at least one of them is a muon. The hadronic recoil system, X, is treated inclusively and is not reconstructed. No significant excess of events over the standard model background is observed in any of theℓ±π∓invariant mass distributions. Limits at 95% confidence level on the sum of the squares of the mixing amplitudes between heavy and light neutrinos, |VN|2, and oncτNare obtained in different mixing scenarios for both Majorana and Dirac-like N particles. The most stringent upper limit|VN|2< 2.0×10−5is obtained atmN= 1.95 GeV for the Majorana case where N mixes exclusively with muon neutrinos. The limits on|VN|2for masses 1 <mN< 1.7 GeV are the most stringent from a collider experiment to date. 
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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> The results of a model-independent search for the pair production of new bosons within a mass range of 0.21< m <60 GeV, are presented. This study utilizes events with a four-muon final state. We use two data sets, comprising 41.5 fb−1and 59.7 fb−1of proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, recorded in 2017 and 2018 by the CMS experiment at the CERN LHC. The study of the 2018 data set includes a search for displaced signatures of a new boson within the proper decay length range of 0< cτ <100 mm. Our results are combined with a previous CMS result, based on 35.9 fb−1of proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV collected in 2016. No significant deviation from the expected background is observed. Results are presented in terms of a model-independent upper limit on the product of cross section, branching fraction, and acceptance. The findings are interpreted across various benchmark models, such as an axion-like particle model, a vector portal model, the next-to-minimal supersymmetric standard model, and a dark supersymmetric scenario, including those predicting a non-negligible proper decay length of the new boson. In all considered scenarios, substantial portions of the parameter space are excluded, expanding upon prior results. 
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