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Observation of a pseudoscalar excess at the top quark pair production threshold

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2025

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Report No.: CERN-EP-2025-061; CMS-TOP-24-007; arXiv:2503.22382

Abstract: A search for resonances in top quark pair ($\text{t}\bar{\text{t}}$) production in final states with two charged leptons and multiple jets is presented, based on proton-proton collision data collected by the CMS experiment at the CERN LHC at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, corresponding to 138 fb$^{-1}$. The analysis explores the invariant mass of the \ttbar system and two angular observables that provide direct access to the correlation of top quark and antiquark spins. A significant excess of events is observed near the kinematic $\text{t}\bar{\text{t}}$ threshold compared to the nonresonant production predicted by fixed-order perturbative quantum chromodynamics (pQCD). The observed enhancement is consistent with the production of a color-singlet pseudoscalar ($^1$S$^{[1]}_0$) quasi-bound toponium state, as predicted by nonrelativistic quantum chromodynamics. Using a simplified model for $^1$S$^{[1]}_0$ toponium, the cross section of the excess above the pQCD prediction is measured to be 8.8$^{+1.2}_{-1.4}$ pb.


Note: Submitted to Reports on Progress in Physics. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/TOP-24-007 (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)
  3. DFG project G:(GEPRIS)390833306 - EXC 2121: Quantum Universe (390833306) (390833306)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

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