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Search for electroweak production of vector-like leptons in $\tau$-lepton and $b$-jet final states in $pp$ collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

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2025

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Report No.: CERN-EP-2025-055; arXiv:2503.22581

Abstract: A search for pair-production of vector-like leptons is presented, considering their decays into a third-generation Standard Model (SM) quark and a vector leptoquark ($U_1$) as predicted by an ultraviolet-complete extension of the SM, referred to as the '4321' model. Given the assumed decay of $U_1$ into third-generation SM fermions, the final state can contain multiple $\tau$-leptons and $b$-quarks. This 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 up to 140 fb$^{-1}$. No significant excess above the SM background prediction is observed, and 95% confidence level limits on the cross-section times branching ratio are derived as a function of the vector-like lepton mass. A lower observed (expected) limit of 910 GeV (970 GeV) is set on the vector-like lepton mass. Additionally, the results are interpreted for a supersymmetric model with an $R$-parity violating coupling to the third-generation quarks and leptons. Lower observed (expected) limits are obtained on the higgsino mass at 880 GeV (940 GeV) and on the wino mass at 1170 GeV (1170 GeV).


Note: 60 pages in total, author list starting page 43, 14 figures, 7 tables, submitted to Eur. Phys. J. C. All figures including auxiliary figures are available at http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/EXOT-2022-27

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. DFG project G:(GEPRIS)469666862 - Präzisionstests des Standardmodells unter der Verwendung von geboosteten W/Z-Bosonen am Large Hadron Collider (469666862) (469666862)
  3. REALDARK - REAL-time discovery strategies for DARK matter and dark sector signals at the ATLAS detector with Run-3 LHC data (101002463) (101002463)
  4. DITTO - Comprehensive search for new phenomena in the dilepton spectrum at the LHC (101089007) (101089007)
  5. BARD - B-resonance Algorithm using Rare Decays (101116429) (101116429)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2025
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