Search for production of four top quarks in final states with same-sign or multiple leptons in proton–proton collisions at $$\sqrt{s}=13$$ $$\,\text {TeV}$$

Abstract

AbstractThe standard model (SM) production of four top quarks ($$\text {t} {}{\overline{\text {t}}} \text {t} {}{\overline{\text {t}}} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mrow/><mml:mover><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mrow/><mml:mover><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math>) in proton–proton collisions is studied by the CMS Collaboration. The data sample, collected during the 2016–2018 data taking of the LHC, corresponds to an integrated luminosity of 137$$\,\text {fb}^{-1}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace/><mml:msup><mml:mtext>fb</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math> at a center-of-mass energy of 13$$\,\text {TeV}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace/><mml:mtext>TeV</mml:mtext></mml:mrow></mml:math>. The events are required to contain two same-sign charged leptons (electrons or muons) or at least three leptons, and jets. The observed and expected significances for the $$\text {t} {}{\overline{\text {t}}} \text {t} {}{\overline{\text {t}}} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mrow/><mml:mover><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mrow/><mml:mover><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math> signal are respectively 2.6 and 2.7 standard deviations, and the $$\text {t} {}{\overline{\text {t}}} \text {t} {}{\overline{\text {t}}} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mrow/><mml:mover><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mrow/><mml:mover><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math> cross section is measured to be $$12.6^{+5.8}_{-5.2}\,\text {fb} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:msubsup><mml:mn>6</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5.2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>5.8</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace/><mml:mtext>fb</mml:mtext></mml:mrow></mml:math>. The results are used to constrain the Yukawa coupling of the top quark to the Higgs boson, $$y_{\text {t}}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:msub></mml:math>, yielding a limit of $$|y_{\text {t}}/y_{\text {t}}^{\mathrm {SM}} | &lt; 1.7$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>SM</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>1.7</mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math> at $$95\%$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>95</mml:mn><mml:mo>%</mml:mo></mml:mrow></mml:math> confidence level, where $$y_{\text {t}}^{\mathrm {SM}}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>SM</mml:mi></mml:msubsup></mml:math> is the SM value of $$y_{\text {t}}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:msub></mml:math>. They are also used to constrain the oblique parameter of the Higgs boson in an effective field theory framework, $$\hat{H}&lt;0.12$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:mrow></mml:math>. Limits are set on the production of a heavy scalar or pseudoscalar boson in Type-II two-Higgs-doublet and simplified dark matter models, with exclusion limits reaching 350–470$$\,\text {GeV}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace/><mml:mtext>GeV</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> and 350–550$$\,\text {GeV}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace/><mml:mtext>GeV</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> for scalar and pseudoscalar bosons, respectively. Upper bounds are also set on couplings of the top quark to new light particles.