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Search for pair production of heavy resonances in final states with a photon and large-radius jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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2025

[10.3204/PUBDB-2026-00968]  GO

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Report No.: CERN-EP-2026-005; CMS-B2G-24-006; arXiv:2602.20477

Abstract: A search for the pair production of heavy spin-1/2 or spin-3/2 resonances (t$^*$) in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV is presented. Data collected with the CMS detector at the CERN LHC from 2016 to 2018 corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ are used. The analysis targets benchmark signal scenarios where one t$^*$ decays into a top quark (t) and a photon ($γ$), and the other into a t quark and a gluon (g), i.e., pp $\to$ t$^*\bar{\mathrm{t}}^*$$\to$ tt$γ$g. All-hadronic final states from the t pair decay chain are selected using jet substructure techniques. The signal is probed as a function of the t$^*$ candidate mass, which is reconstructed using the photon and a top quark candidate jet. No significant deviation from the background-only hypothesis is found. Observed (expected) upper limits on the signal cross section at 95% confidence level are set, excluding masses of spin-1/2 t$^*$ particles below 930 (930) GeV and spin-3/2 t$^*$ particles below 1330 (1390) GeV. This analysis marks the first search for heavy resonances in the $\mathrm{t\bar{t}}γ$g channel. Exploiting the high-energy photon to reduce the backgrounds, this search achieves sensitivity competitive with pp $\to$ t$^*\mathrm{\bar{t}}^*$ $\to$ $\mathrm{t\bar{t}}γ$g searches for spin-1/2 t$^*$ despite the small expected t$^*$ $\to$ t$γ$ branching fraction.


Note: Submitted to Physical Review D. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/B2G-24-006 (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: Das Quantisierte Universum II (390833306) (390833306)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS
Database coverage:
Creative Commons Attribution CC BY 4.0 ; OpenAccess
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The record appears in these collections:
Private Collections > >DESY > >FH > CMS
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