This document proposes a collection of simplified models relevant to the design of new-physics searches at the LHC and the characterization of their results. Both ATLAS and CMS have already presented some results in terms of simplified models, and we encourage them to continue and expand this effort, which supplements both signature-based results and benchmark model interpretations. A simplified model is defined by an effective Lagrangian describing the interactions of a small number of new particles. Simplified models can equally well be described by a small number of masses and cross-sections. These parameters are directly related to collider physics observables, making simplified models a particularly effective framework for evaluating searches and a useful starting point for characterizing positive signals of new physics. This document serves as an official summary of the results from the "Topologies for Early LHC Searches" workshop, held at SLAC in September of 2010, the purpose of which was to develop a set of representative models that can be used to cover all relevant phase space in experimental searches. Particular emphasis is placed on searches relevant for the first ~50-500 pb-1 of data and those motivated by supersymmetric models. This note largely summarizes material posted at http://lhcnewphysics.org/, which includes simplified model definitions, Monte Carlo material, and supporting contacts within the theory community. We also comment on future developments that may be useful as more data is gathered and analyzed by the experiments.

A bstract A measurement of the single-top-quark t -channel production cross section in pp collisions at $ \sqrt{s}=7 $ TeV with the CMS detector at the LHC is presented. Two different and complementary approaches have been followed. The first approach exploits the distributions of the pseudorapidity of the recoil jet and reconstructed top-quark mass using background estimates determined from control samples in data. The second approach is based on multivariate analysis techniques that probe the compatibility of the candidate events with the signal. Data have been collected for the muon and electron final states, corresponding to integrated luminosities of 1.17 and 1.56 fb −1 , respectively. The single-top-quark production cross section in the t -channel is measured to be 67 . 2±6 . 1 pb, in agreement with the approximate next-to-next-to-leading-order standard model prediction. Using the standard model electroweak couplings, the CKM matrix element | V tb | is measured to be 1 . 020 ± 0 . 046 (meas.) ± 0 . 017 (theor.).

A measurement of the inelastic proton-proton cross section with the CMS detector at a center-of-mass energy of $\sqrt{s} =$ 13 TeV is presented. The analysis is based on events with energy deposits in the forward calorimeters, which cover pseudorapidities of -6.6 $< \eta <$ -3.0 and +3.0 $< \eta <$ +5.2. An inelastic cross section of 68.6 $\pm$ 0.5 (syst) $\pm$ 1.6 (lumi) mb is obtained for events with $M_\mathrm{X} >$ 4.1 GeV and/or $M_\mathrm{Y} >$ 13 GeV, where $M_\mathrm{X}$ and $M_\mathrm{Y}$ are the masses of the diffractive dissociation systems at negative and positive pseudorapidities, respectively. The results are compared with those from other experiments as well as to predictions from high-energy hadron-hadron interaction models.

The mass of the top quark is measured using a sample of t t-bar candidate events with one electron or muon and at least four jets in the final state, collected by CMS in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV at the LHC. A total of 5174 candidate events is selected from data corresponding to an integrated luminosity of 5.0 inverse femtobarns. For each event the mass is reconstructed from a kinematic fit of the decay products to a t t-bar hypothesis. The top-quark mass is determined simultaneously with the jet energy scale (JES), constrained by the known mass of the W boson in q anti-q decays, to be 173.49 +/- 0.43 (stat.+JES) +/- 0.98 (syst.) GeV.

The results of searches for new physics in events with two same-sign isolated leptons, hadronic jets, and missing transverse energy in the final state are presented. The searches use an integrated luminosity of 35 pb−1 of pp collision data at a centre-of-mass energy of 7 TeV collected by the CMS experiment at the LHC. The observed numbers of events agree with the standard model predictions, and no evidence for new physics is found. To facilitate the interpretation of our data in a broader range of new physics scenarios, information on our event selection, detector response, and efficiencies is provided.

A bstract A search is presented for a singly produced third-generation scalar leptoquark decaying to a τ lepton and a bottom quark. Associated production of a leptoquark and a τ lepton is considered, leading to a final state with a bottom quark and two τ leptons. The search uses proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded with the CMS detector, corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb −1 . Upper limits are set at 95% confidence level on the production cross section of the third-generation scalar leptoquarks as a function of their mass. From a comparison of the results with the theoretical predictions, a third-generation scalar leptoquark decaying to a τ lepton and a bottom quark, assuming unit Yukawa coupling ( λ ), is excluded for masses below 740 GeV. Limits are also set on λ of the hypothesized leptoquark as a function of its mass. Above λ = 1.4, this result provides the best upper limit on the mass of a third-generation scalar leptoquark decaying to a τ lepton and a bottom quark.

Abstract Ultrarelativistic nuclear collisions create a strongly interacting state of hot and dense quark–gluon matter that exhibits a remarkable collective flow behavior with minimal viscous dissipation. To gain deeper insights into its intrinsic nature and fundamental degrees of freedom, we determine the speed of sound in an extended volume of quark–gluon plasma using lead–lead (PbPb) collisions at a center-of-mass energy per nucleon pair of 5.02 TeV. The data were recorded by the CMS experiment at the CERN LHC and correspond to an integrated luminosity of 0.607 nb −1 . The measurement is performed by studying the multiplicity dependence of the average transverse momentum of charged particles emitted in head-on PbPb collisions. Our findings reveal that the speed of sound in this matter is nearly half the speed of light, with a squared value of 0.241 ± 0.002  ( stat ) ± 0.016  ( syst ) in natural units. The effective medium temperature, estimated using the mean transverse momentum, is 219 ± 8  ( syst )  MeV . The measured squared speed of sound at this temperature aligns precisely with predictions from lattice quantum chromodynamic (QCD) calculations. This result provides a stringent constraint on the equation of state of the created medium and direct evidence for a deconfined QCD phase being attained in relativistic nuclear collisions.

A bstract A search is presented for a third-generation leptoquark (LQ) coupled exclusively to a τ lepton and a b quark. The search is based on proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded with the CMS detector, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . Events with τ leptons and a varying number of jets originating from b quarks are considered, targeting the single and pair production of LQs, as well as nonresonant t -channel LQ exchange. An excess is observed in the data with respect to the background expectation in the combined analysis of all search regions. For a benchmark LQ mass of 2 TeV and an LQ-b-τ coupling strength of 2.5, the excess reaches a local significance of up to 2.8 standard deviations. Upper limits at the 95% confidence level are placed on the LQ production cross section in the LQ mass range 0.5–2.3 TeV, and up to 3 TeV for t -channel LQ exchange. Leptoquarks are excluded below masses of 1.22–1.88 TeV for different LQ models and varying coupling strengths up to 2.5. The study of nonresonant ττ production through t -channel LQ exchange allows lower limits on the LQ mass of up to 2.3 TeV to be obtained.

The observation of WWγ production in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV with an integrated luminosity of 138 fb^{-1} is presented. The observed (expected) significance is 5.6 (5.1) standard deviations. Events are selected by requiring exactly two leptons (one electron and one muon) of opposite charge, moderate missing transverse momentum, and a photon. The measured fiducial cross section for WWγ is 5.9±0.8(stat)±0.8(syst)±0.7(modeling) fb, in agreement with the next-to-leading order quantum chromodynamics prediction. The analysis is extended with a search for the associated production of the Higgs boson and a photon, which is generated by a coupling of the Higgs boson to light quarks. The result is used to constrain the Higgs boson couplings to light quarks.

Abstract A test of lepton flavor universality in  B ±  →  K ±   μ +   μ −  and  B ±  →  K ±   e +   e −  decays, as well as a measurement of differential and integrated branching fractions of a nonresonant  B ±  →  K ±   μ +   μ −  decay are presented. The analysis is made possible by a dedicated data set of proton-proton collisions at  s  = 13  TeV recorded in 2018, by the CMS experiment at the LHC, using a special high-rate data stream designed for collecting about 10 billion unbiased b hadron decays. The ratio of the branching fractions B (  B ±  →  K ±   μ +   μ −  ) to B (  B ±  →  K ±   e +   e −  ) is determined from the measured double ratio R ( K ) of these decays to the respective branching fractions of the  B ±  → J / ψ  K ±  with J / ψ →  μ +   μ −  and  e +   e −  decays, which allow for significant cancellation of systematic uncertainties. The ratio R ( K ) is measured in the range 1.1 <  q 2  < 6.0   GeV 2  , where q is the invariant mass of the lepton pair, and is found to be R ( K ) = 0.78 − 0.23 + 0.47 , in agreement with the standard model expectation R ( K ) ≈ 1 . This measurement is limited by the statistical precision of the electron channel. The integrated branching fraction in the same q 2 range, B (  B ±  →  K ±   μ +   μ −  ) = ( 12.42 ± 0.68 ) ×  10 − 8  , is consistent with the present world-average value and has a comparable precision.