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Search for inelastic dark matter in events with two displaced muons and missing transverse momentum in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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2023

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Report No.: CERN-EP-2023-083; CMS-EXO-20-010; arXiv:2305.11649

Abstract: A search for dark matter in events with a displaced muon pair and missing transverse momentum is presented. The analysis is performed using an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV produced by the LHC in 2016-2018. No significant excess over the predicted backgrounds is observed. Upper limits are set on the product of the inelastic dark matter production cross section $\sigma$(pp $\to$ A' $\to$$\chi_1$$\chi_2$) and the decay branching fraction $\mathcal{B}$($\chi_2$$\to$$\chi_1\mu^+\mu^-$), where A' is a dark photon and $\chi_1$ and $\chi_2$ are dark matter states with near mass degeneracy. This is the first dedicated collider search for inelastic dark matter.

Keyword(s): p p: colliding beams ; dark matter: direct detection ; dark matter: inelastic scattering ; transverse momentum: missing-energy ; dark matter: pair production ; muon: pair production ; p p: scattering ; CERN LHC Coll ; photon: hidden sector ; background ; channel cross section: branching ratio: upper limit ; track data analysis: vertex ; data analysis method ; experimental results ; 13000 GeV-cms


Note: Submitted to Physical Review Letters. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/EXO-20-010 (CMS Public Pages)

Contributing Institute(s):
  1. LHC/CMS Experiment (CMS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. HIDSS-0002 - DASHH: Data Science in Hamburg - Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter (2019_IVF-HIDSS-0002) (2019_IVF-HIDSS-0002)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

Appears in the scientific report 2023
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 Record created 2023-06-07, last modified 2024-03-10


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