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Model-independent search for pair production of new bosons decaying into muons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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2024

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Report No.: CERN-EP-2024-199; CMS-HIG-21-004; arXiv:2407.20425

Abstract: The results of a model-independent search for the pair production of new bosons within a mass range of 0.21 $\lt$$m$$\lt$ 60 GeV, are presented. This study utilizes events with a four-muon final state. We use two data sets, comprising 41.5 fb$^{-1}$ and 59.7 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 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 $\lt$$c\tau$$\lt$ 100 $\mu$m. Our results are combined with a previous CMS result, based on 35.9 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 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.

Keyword(s): boson, pair production ; p p, scattering ; decay, length ; standard model, supersymmetry ; TeV ; CMS ; muon ; GeV ; branching ratio ; axion-like particles ; CERN Lab ; portal model ; acceptance ; benchmark ; CERN LHC Coll ; background ; signature


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/HIG-21-004 (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 390833306 - EXC 2121: Quantum Universe (390833306) (390833306)
  3. HIDSS-0002 - DASHH: Data Science in Hamburg - Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter (2019_IVF-HIDSS-0002) (2019_IVF-HIDSS-0002)
  4. GRK 2497 - GRK 2497: Physik der schwersten Teilchen am Large Hadron Collider (400140256) (400140256)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

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