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Office of Scientific and Technical Information

Title: Search for new physics in the τ lepton plus missing transverse momentum final state in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s}$$ = 13 TeV

Journal Article · · Journal of High Energy Physics (Online)
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A search for physics beyond the standard model (SM) in the final state with a hadronically decaying tau lepton and a neutrino is presented. This analysis is based on data recorded by the CMS experiment from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV at the LHC, corresponding to a total integrated luminosity of 138 fb$$^{–1}$$. The transverse mass spectrum is analyzed for the presence of new physics. No significant deviation from the SM prediction is observed. Limits are set on the production cross section of a W' boson decaying into a tau lepton and a neutrino. Lower limits are set on the mass of the sequential SM-like heavy charged vector boson and the mass of a quantum black hole. Upper limits are placed on the couplings of a new boson to the SM fermions. Constraints are put on a nonuniversal gauge interaction model and an effective field theory model. For the first time, upper limits on the cross section of t-channel leptoquark (LQ) exchange are presented. These limits are translated into exclusion limits on the LQ mass and on its coupling in the t-channel. The sensitivity of this analysis extends into the parameter space of LQ models that attempt to explain the anomalies observed in B meson decays. The limits presented for the various interpretations are the most stringent to date. Additionally, a model-independent limit is provided.

Research Organization:
Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States); Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Livermore, CA (United States)
Sponsoring Organization:
USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP)
Contributing Organization:
CMS Collaboration
Grant/Contract Number:
AC02-07CH11359
OSTI ID:
2202951
Report Number(s):
FERMILAB-PUB--23-619-CMS; CMS-EXO-21-009; CERN-EP-2022-268; arXiv:2212.12604; oai:inspirehep.net:2626189
Journal Information:
Journal of High Energy Physics (Online), Journal Name: Journal of High Energy Physics (Online) Journal Issue: 9 Vol. 2023; ISSN 1029-8479
Publisher:
Springer NatureCopyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (52)

Scalar leptoquarks from grand unified theories to accommodate the B -physics anomalies journal September 2018
Searching for new heavy vector bosons inp $$\bar p$$ colliders journal March 1989
PDF4LHC recommendations for LHC Run II journal January 2016
B-physics anomalies: a guide to combined explanations journal November 2017
The hierarchy problem and new dimensions at a millimeter journal June 1998
Fitting using finite Monte Carlo samples journal October 1993
The role of the S 3 GUT leptoquark in flavor universality and collider searches journal October 2017
High energy colliders as black hole factories: The end of short distance physics journal February 2002
Addressing the B-physics anomalies in a fundamental Composite Higgs model journal July 2018
Left-right gauge symmetry and an "isoconjugate" model of CP violation journal February 1975
Reading the footprints of the B-meson flavor anomalies journal August 2021
What is the scale of new physics behind the B-flavour anomalies? journal August 2017
Simultaneous explanation of R(D (∗)) and b→sμ + μ −: the last scalar leptoquarks standing journal September 2017
Leptoquarks in lepton-quark collisions journal June 1987
NLO EW and QCD proton–proton cross section calculations with mcsanc-v1.01 journal October 2013
"Natural" left-right symmetry journal May 1975
Revisiting the vector leptoquark explanation of the B-physics anomalies journal July 2019
A three-site gauge model for flavor hierarchies and flavor anomalies journal April 2018
An introduction to PYTHIA 8.2 journal June 2015
Parton distributions from high-precision collider data: NNPDF Collaboration journal October 2017
( g − 2 ) μ , lepton flavor violation, and Z decays with leptoquarks: Correlations and future prospects journal March 2017
B-decay anomalies in Pati–Salam SU(4) journal March 2018
Black holes and quantum gravity at the LHC journal May 2008
Update of the MCSANC Monte Carlo integrator, v. 1.20 journal January 2016
Maximal flavour violation: a Cabibbo mechanism for leptoquarks journal November 2018
Quantum black holes with charge, color and spin at the LHC journal August 2010
Tuning PYTHIA 8.1: the Monash 2013 tune journal August 2014
Flavorful leptoquarks at hadron colliders journal April 2018
Reconstruction and identification of τ lepton decays to hadrons and ντat CMS journal January 2016
A general framework for implementing NLO calculations in shower Monte Carlo programs: the POWHEG BOX journal June 2010
Parton distributions with LHC data journal February 2013
Gauge leptoquark as the origin of B -physics anomalies journal December 2017
The anti- k t jet clustering algorithm journal April 2008
FastJet user manual: (for version 3.0.2) journal March 2012
Early LHC bound on the W′ boson mass in the nonuniversal gauge interaction model journal January 2012
The automated computation of tree-level and next-to-leading order differential cross sections, and their matching to parton shower simulations journal July 2014
A leptoquark model to accommodate R K exp  < R K SM and R K ∗ exp < R K ∗ S M $$ {R}_{K^{\ast}}^{\exp }<{R}_{K^{\ast}}^{\mathrm{SM}} $$ journal August 2017
Mono- τ Signatures at the LHC Constrain Explanations of B -decay Anomalies journal April 2019
LHAPDF6: parton density access in the LHC precision era journal March 2015
MadGraph 5: going beyond journal June 2011
Combination of electroweak and QCD corrections to single W production at the Fermilab Tevatron and the CERN LHC journal January 2010
The RooStats project
  • Moneta, Lorenzo; Cranmer, Kyle; Schott, Gregory
  • Proceedings of 13th International Workshop on Advanced Computing and Analysis Techniques in Physics Research — PoS(ACAT2010) https://doi.org/10.22323/1.093.0057
conference February 2011
High- $$p_T$$ p T signatures in vector–leptoquark models journal April 2019
Minimally flavored colored scalar in $ \overline{B}\to {D^{{\left( * \right)}}}\tau \overline{\nu} $ and the mass matrices constraints journal November 2013
New Generation of Parton Distributions with Uncertainties from Global QCD Analysis journal July 2002
Model of vector leptoquarks in view of the B -physics anomalies journal December 2018
Testing leptoquark models in B ¯ → D ( * ) τ ν ¯ journal November 2013
Geant4—a simulation toolkit
  • Agostinelli, S.; Allison, J.; Amako, K.
  • Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 506, Issue 3 https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8
journal July 2003
A New Method for Combining NLO QCD with Shower Monte Carlo Algorithms journal November 2004
Matching NLO QCD computations with parton shower simulations: the POWHEG method journal November 2007
Black Holes at the Large Hadron Collider journal September 2001
Composite leptoquarks and anomalies in B-meson decays journal May 2015