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Search for leptoquark pair production decaying into $te^- \bar{t}e^+$ or $t\mu^- \bar{t}\mu^+$ in multi-lepton final states in $pp$ collisions at 13 TeV with the ATLAS detector

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2023

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Report No.: CERN-EP-2023-087; arXiv:2306.17642

Abstract: A search for leptoquark pair production decaying into $te^- \bar{t}e^+$ or $t\mu^- \bar{t}\mu^+$ in final states with multiple leptons is presented. The search is based on a dataset of $pp$ collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV recorded with the ATLAS detector during Run 2 of the Large Hadron Collider, corresponding to an integrated luminosity of 139~fb$^{-1}$. Events are selected with two or more light leptons (electron or muon) and at least two jets out of which at least one jet is identified as coming from a $b$-hadron. Four signal regions, with the requirement of at least three light leptons, are considered based on the number of leptons of a given flavour. The main background processes are estimated using dedicated control regions in a simultaneous fit with the signal regions to data. No excess above the Standard Model background prediction is observed and 95% confidence level limits on the production cross section times branching ratio are derived as a function of the leptoquark mass. Under the assumption of exclusive decays into $te^{-}$ ($t\mu^{-}$), the corresponding lower limit on the scalar mixed-generation leptoquark mass $m_{\mathrm{LQ}_{\mathrm{mix}}^{\mathrm{d}}}$ is at 1.58 (1.59) TeV and on the vector leptoquark mass $m_{\tilde{U}_1}$ at 1.67 (1.67) TeV in the minimal coupling scenario and at 1.95 (1.95) TeV in the Yang-Mills scenario.

Keyword(s): p p: colliding beams ; leptoquark: mass: lower limit ; leptoquark: pair production ; p p: scattering ; coupling: minimal ; lepton: multiple production ; background ; ATLAS ; final state: ((n)jet dilepton) ; final state: ((n)jet 3lepton) ; final state: ((n)jet 4lepton) ; jet: bottom ; bottom: particle identification ; leptoquark: scalar ; leptoquark: vector particle ; muon ; channel cross section: branching ratio: upper limit ; mass dependence ; Yang-Mills ; electron ; CERN LHC Coll ; flavor ; experimental results ; leptoquark --> top electron ; leptoquark --> top muon ; 13000 GeV-cms


Note: 60 pages in total, author list starting page 43, 11 figures, 6 tables, submitted to EPJC. All figures including auxiliary figures are available at http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/EXOT-2020-08

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2023
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