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Search for long-lived particles decaying to final states with a pair of muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV

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2024

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Report No.: CERN-EP-2024-025; CMS-EXO-23-014; arXiv:2402.14491

Abstract: An inclusive search for long-lived exotic particles (LLPs) decaying to final states with a pair of muons is presented. The search uses data corresponding to an integrated luminosity of 36.6 fb$^{-1}$ collected by the CMS experiment from the proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV in 2022, the first year of Run 3 of the CERN LHC. The experimental signature is a pair of oppositely charged muons originating from a common vertex spatially separated from the proton-proton interaction point by distances ranging from several hundred $\mu$m to several meters. The sensitivity of the search benefits from new triggers for displaced dimuons developed for Run 3. The results are interpreted in the framework of the hidden Abelian Higgs model, in which the Higgs boson decays to a pair of long-lived dark photons, and of an $R$-parity violating supersymmetry model, in which long-lived neutralinos decay to a pair of muons and a neutrino. The limits set on these models are the most stringent to date in wide regions of lifetimes for LLPs with masses larger than 10 GeV.

Keyword(s): muon, pair ; p p, scattering ; p p, interaction ; Higgs particle, decay ; Higgs model, abelian ; neutralino, decay ; vertex, primary ; particle, exotic ; particle, long-lived ; TeV ; GeV ; CERN Lab ; dimuon ; photon ; CERN LHC Coll ; trigger ; supersymmetry ; signature ; lifetime ; CMS ; sensitivity


Note: Submitted to the Journal of High Energy Physics. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/EXO-23-014 (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. DFG project G:(GEPRIS)390833306 - EXC 2121: Quantum Universe (390833306) (390833306)
  3. GRK 2497 - GRK 2497: Physik der schwersten Teilchen am Large Hadron Collider (400140256) (400140256)
  4. 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 2024
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