The CMS apparatus was identified, a few years before the start of the LHC operation at CERN, to feature properties well suited to particle-flow (PF) reconstruction: a highly-segmented tracker, a fine-grained electromagnetic calorimeter, a hermetic hadron calorimeter, a strong magnetic field, and an excellent muon spectrometer. A fully-fledged PF reconstruction algorithm tuned to the CMS detector was therefore developed and has been consistently used in physics analyses for the first time at a hadron collider. For each collision, the comprehensive list of final-state particles identified and reconstructed by the algorithm provides a global event description that leads to unprecedented CMS performance for jet and hadronic tau decay reconstruction, missing transverse momentum determination, and electron and muon identification. This approach also allows particles from pileup interactions to be identified and enables efficient pileup mitigation methods. The data collected by CMS at a centre-of-mass energy of 8 TeV show excellent agreement with the simulation and confirm the superior PF performance at least up to an average of 20 pileup interactions.

Many measurements and searches for physics beyond the standard model at the LHC rely on the efficient identification of heavy-flavour jets, i.e. jets originating from bottom or charm quarks. In this paper, the discriminating variables and the algorithms used for heavy-flavour jet identification during the first years of operation of the CMS experiment in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV, are presented. Heavy-flavour jet identification algorithms have been improved compared to those used previously at centre-of-mass energies of 7 and 8 TeV. For jets with transverse momenta in the range expected in simulated $\mathrm{t}\overline{\mathrm{t}}$ events, these new developments result in an efficiency of 68% for the correct identification of a b jet for a probability of 1% of misidentifying a light-flavour jet. The improvement in relative efficiency at this misidentification probability is about 15%, compared to previous CMS algorithms. In addition, for the first time algorithms have been developed to identify jets containing two b hadrons in Lorentz-boosted event topologies, as well as to tag c jets. The large data sample recorded in 2016 at a centre-of-mass energy of 13 TeV has also allowed the development of new methods to measure the efficiency and misidentification probability of heavy-flavour jet identification algorithms. The heavy-flavour jet identification efficiency is measured with a precision of a few per cent at moderate jet transverse momenta (between 30 and 300 GeV) and about 5% at the highest jet transverse momenta (between 500 and 1000 GeV).

New sets of CMS underlying-event parameters ("tunes") are presented for the pythia8 event generator. These tunes use the NNPDF3.1 parton distribution functions (PDFs) at leading (LO), next-to-leading (NLO), or next-to-next-to-leading (NNLO) orders in perturbative quantum chromodynamics, and the strong coupling evolution at LO or NLO. Measurements of charged-particle multiplicity and transverse momentum densities at various hadron collision energies are fit simultaneously to determine the parameters of the tunes. Comparisons of the predictions of the new tunes are provided for observables sensitive to the event shapes at LEP, global underlying event, soft multiparton interactions, and double-parton scattering contributions. In addition, comparisons are made for observables measured in various specific processes, such as multijet, Drell-Yan, and top quark-antiquark pair production including jet substructure observables. The simulation of the underlying event provided by the new tunes is interfaced to a higher-order matrix-element calculation. For the first time, predictions from pythia8 obtained with tunes based on NLO or NNLO PDFs are shown to reliably describe minimum-bias and underlying-event data with a similar level of agreement to predictions from tunes using LO PDF sets.

A search for a standard model Higgs boson decaying into a pair of τ leptons is performed using events recorded by the CMS experiment at the LHC in 2011 and 2012. The dataset corresponds to an integrated luminosity of 4.9 fb−1 at a centre-of-mass energy of 7 TeV and 19.7 fb−1 at 8 TeV. Each τ lepton decays hadronically or leptonically to an electron or a muon, leading to six different final states for the τ -lepton pair, all considered in this analysis. An excess of events is observed over the expected background contributions, with a local significance larger than 3 standard deviations for m H values between 115 and 130 GeV. The best fit of the observed H → τ τ signal cross section times branching fraction for m H = 125 GeV is 0.78 ± 0.27 times the standard model expectation. These observations constitute evidence for the 125 GeV Higgs boson decaying to a pair of τ leptons.

A search for a Higgs boson decaying into two photons is described. The analysis is performed using a dataset recorded by the CMS experiment at the LHC from pp collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV, which corresponds to an integrated luminosity of 4.8 inverse femtobarns. Limits are set on the cross section of the standard model Higgs boson decaying to two photons. The expected exclusion limit at 95% confidence level is between 1.4 and 2.4 times the standard model cross section in the mass range between 110 and 150 GeV. The analysis of the data excludes, at 95% confidence level, the standard model Higgs boson decaying into two photons in the mass range 128 to 132 GeV. The largest excess of events above the expected standard model background is observed for a Higgs boson mass hypothesis of 124 GeV with a local significance of 3.1 sigma. The global significance of observing an excess with a local significance greater than 3.1 sigma anywhere in the search range 110-150 GeV is estimated to be 1.8 sigma. More data are required to ascertain the origin of this excess.

The inclusive cross section for top-quark pair production measured by the CMS experiment in proton–proton collisions at a center-of-mass energy of 7 TeV is compared to the QCD prediction at next-to-next-to-leading order with various parton distribution functions to determine the top-quark pole mass, mtpole, or the strong coupling constant, αS. With the parton distribution function set NNPDF2.3, a pole mass of 176.7−3.4+3.8GeV is obtained when constraining αS at the scale of the Z boson mass, mZ, to the current world average. Alternatively, by constraining mtpole to the latest average from direct mass measurements, a value of αS(mZ)=0.1151−0.0032+0.0033 is extracted. This is the first determination of αS using events from top-quark production.

A search for the resonant production of high-mass photon pairs is presented. The search focuses on spin-0 and spin-2 resonances with masses between 0.5 and 4.5 TeV, and with a width, relative to the mass, between 1.4E-4 and 5.6E-2. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 12.9 inverse femtobarns of proton-proton collisions collected with the CMS detector in 2016 at a center-of-mass energy of 13 TeV. No significant excess is observed relative to the standard model expectation. The results of the search are combined statistically with those previously obtained in 2012 and 2015 at sqrt(s) = 8 and 13TeV, respectively, corresponding to integrated luminosities of 19.7 and 3.3 inverse femtobarns, to derive exclusion limits on scalar resonances produced through gluon-gluon fusion, and on Randall-Sundrum gravitons. The lower mass limits for Randall-Sundrum gravitons range from 1.95 to 4.45 TeV for coupling parameters between 0.01 and 0.2. These are the most stringent limits on Randall-Sundrum graviton production to date.

The production yields of Upsilon(1S), Upsilon(2S), and Upsilon(3S) quarkonium states are measured through their decays into muon pairs in the CMS detector, in PbPb and pp collisions at the centre-of-mass energy per nucleon pair of 2.76 TeV. The data correspond to integrated luminosities of 166 inverse microbarns and 5.4 inverse picobarns for PbPb and pp collisions, respectively. Differential production cross sections are reported as functions of Upsilon rapidity y up to 2.4, and transverse momentum pT up to 20 GeV/c. A strong centrality-dependent suppression is observed in PbPb relative to pp collisions, by factors of up to approximately 2 and 8, for the Upsilon(1S) and Upsilon(2S) states, respectively. No significant dependence of this suppression is observed as a function of y or pT. The Upsilon(3S) state is not observed in PbPb collisions, which corresponds to a suppression for the centrality-integrated data by at least a factor of approximately 7 at a 95% confidence level. The observed suppression is in agreement with theoretical scenarios modeling the sequential melting of quarkonium states in a quark gluon plasma.