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Title: Measurements of the Higgs boson inclusive and differential fiducial cross sections in the 4$$\ell $$ decay channel at $$\sqrt{s}$$ = 13 TeV
Abstract Inclusive and differential fiducial cross sections of the Higgs boson are measured in the $$H \rightarrow ZZ^{*} \rightarrow 4\ell $$ H → Z Z ∗ → 4 ℓ ( $$\ell = e,\mu $$ ℓ = e , μ ) decay channel. The results are based on proton-proton collision data produced at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV and recorded by the ATLAS detector from 2015 to 2018, equivalent to an integrated luminosity of 139  $$\hbox {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The inclusive fiducial cross section for the $$H \rightarrow ZZ^{*} \rightarrow 4\ell $$ H → Z Z ∗ → 4 ℓ process is measured to be $$\sigma _\mathrm {fid} = 3.28 \,{\pm }\, 0.32$$ σ fid = 3.28 ± 0.32  fb, in agreement with the Standard Model prediction of $$\sigma _\mathrm {fid, SM} = 3.41 \pm 0.18 $$ σ fid , SM = 3.41 ± 0.18  fb. Differential fiducial cross sections are measured for a variety of observables which are sensitive to the production and decay of the Higgs boson. All measurements are in agreement with the Standard Model predictions. The results are used to constrain anomalous Higgs boson interactions with Standard Model particles.  more » « less
Award ID(s):
1812377
PAR ID:
10227267
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
80
Issue:
10
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    Abstract Production cross sections of the Higgs boson are measured in the $${\mathrm{H}} \rightarrow {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} \rightarrow 4\ell $$ H → Z Z → 4 ℓ ( $$\ell ={\mathrm{e}},{{{\upmu }}_{\mathrm{}}^{\mathrm{}}} $$ ℓ = e , μ ) decay channel. A data sample of proton–proton collisions at a center-of-mass energy of 13 $$\,\text {Te}\text {V}$$ Te , collected by the CMS detector at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 is used. The signal strength modifier $$\mu $$ μ , defined as the ratio of the Higgs boson production rate in the $$4\ell $$ 4 ℓ channel to the standard model (SM) expectation, is measured to be $$\mu =0.94 \pm 0.07 \,\text {(stat)} ^{+0.09}_{-0.08} \,\text {(syst)} $$ μ = 0.94 ± 0.07 (stat) - 0.08 + 0.09 (syst) at a fixed value of $$m_{{\mathrm{H}}} = 125.38\,\text {Ge}\text {V} $$ m H = 125.38 Ge . The signal strength modifiers for the individual Higgs boson production modes are also reported. The inclusive fiducial cross section for the $${\mathrm{H}} \rightarrow 4\ell $$ H → 4 ℓ process is measured to be $$2.84^{+0.23}_{-0.22} \,\text {(stat)} ^{+0.26}_{-0.21} \,\text {(syst)} \,\text {fb} $$ 2 . 84 - 0.22 + 0.23 (stat) - 0.21 + 0.26 (syst) fb , which is compatible with the SM prediction of $$2.84 \pm 0.15 \,\text {fb} $$ 2.84 ± 0.15 fb for the same fiducial region. Differential cross sections as a function of the transverse momentum and rapidity of the Higgs boson, the number of associated jets, and the transverse momentum of the leading associated jet are measured. A new set of cross section measurements in mutually exclusive categories targeted to identify production mechanisms and kinematical features of the events is presented. The results are in agreement with the SM predictions. 
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  2. null (Ed.)
    Abstract The production of Z boson pairs in proton–proton ( $${\mathrm{p}} {\mathrm{p}} $$ p p ) collisions, $${{\mathrm{p}} {\mathrm{p}} \rightarrow ({\mathrm{Z}}/\gamma ^*)({\mathrm{Z}}/\gamma ^*) \rightarrow 2\ell 2\ell '}$$ p p → ( Z / γ ∗ ) ( Z / γ ∗ ) → 2 ℓ 2 ℓ ′ , where $${\ell ,\ell ' = {\mathrm{e}}}$$ ℓ , ℓ ′ = e or $${{\upmu }}$$ μ , is studied at a center-of-mass energy of 13 $$\,\text {TeV}$$ TeV with the CMS detector at the CERN LHC. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 , collected during 2016–2018. The $${\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ Z Z production cross section, $$\sigma _{\text {tot}} ({\mathrm{p}} {\mathrm{p}} \rightarrow {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} ) = 17.4 \pm 0.3 \,\text {(stat)} \pm 0.5 \,\text {(syst)} \pm 0.4 \,\text {(theo)} \pm 0.3 \,\text {(lumi)} \text { pb} $$ σ tot ( p p → Z Z ) = 17.4 ± 0.3 (stat) ± 0.5 (syst) ± 0.4 (theo) ± 0.3 (lumi) pb , measured for events with two pairs of opposite-sign, same-flavor leptons produced in the mass region $${60< m_{\ell ^+\ell ^-} < 120\,\text {GeV}}$$ 60 < m ℓ + ℓ - < 120 GeV is consistent with standard model predictions. Differential cross sections are also measured and agree with theoretical predictions. The invariant mass distribution of the four-lepton system is used to set limits on anomalous $${\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ Z Z Z and $${{\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} \gamma }$$ Z Z γ couplings. 
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  3. A bstract Measurements of the inclusive and differential fiducial cross sections for the Higgs boson production in the H → ZZ → 4 ℓ ( ℓ = e , μ ) decay channel are presented. The results are obtained from the analysis of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the CERN LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . The measured inclusive fiducial cross section is 2 . 73 ± 0 . 26 fb, in agreement with the standard model expectation of 2 . 86 ± 0 . 1 fb. Differential cross sections are measured as a function of several kinematic observables sensitive to the Higgs boson production and decay to four leptons. A set of double-differential measurements is also performed, yielding a comprehensive characterization of the four leptons final state. Constraints on the Higgs boson trilinear coupling and on the bottom and charm quark coupling modifiers are derived from its transverse momentum distribution. All results are consistent with theoretical predictions from the standard model. 
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  4. A<sc>bstract</sc> Inclusive and differential cross sections for Higgs boson production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13.6 TeV are measured using data collected with the CMS detector at the LHC in 2022, corresponding to an integrated luminosity of 34.7 fb−1. Events with the diphoton final state are selected, and the measured inclusive fiducial cross section is$${\sigma }_{\text{fid}}={74}\pm {11}{\left({\text{stat}}\right)}_{-4}^{+5}\left({\text{syst}}\right)$$fb, in agreement with the standard model prediction of 67.8 ± 3.8 fb. Differential cross sections are measured as functions of several observables: the Higgs boson transverse momentum and rapidity, the number of associated jets, and the transverse momentum of the leading jet in the event. Within the uncertainties, the differential cross sections agree with the standard model predictions. 
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  5. null (Ed.)
    Abstract The rate for Higgs ( $${\mathrm{H}} $$ H ) bosons production in association with either one ( $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H ) or two ( $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H ) top quarks is measured in final states containing multiple electrons, muons, or tau leptons decaying to hadrons and a neutrino, using proton–proton collisions recorded at a center-of-mass energy of $$13\,\text {TeV} $$ 13 TeV by the CMS experiment. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The analysis is aimed at events that contain $${\mathrm{H}} \rightarrow {\mathrm{W}} {\mathrm{W}} $$ H → W W , $${\mathrm{H}} \rightarrow {\uptau } {\uptau } $$ H → τ τ , or $${\mathrm{H}} \rightarrow {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ H → Z Z decays and each of the top quark(s) decays either to lepton+jets or all-jet channels. Sensitivity to signal is maximized by including ten signatures in the analysis, depending on the lepton multiplicity. The separation among $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H , $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H , and the backgrounds is enhanced through machine-learning techniques and matrix-element methods. The measured production rates for the $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H and $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H signals correspond to $$0.92 \pm 0.19\,\text {(stat)} ^{+0.17}_{-0.13}\,\text {(syst)} $$ 0.92 ± 0.19 (stat) - 0.13 + 0.17 (syst) and $$5.7 \pm 2.7\,\text {(stat)} \pm 3.0\,\text {(syst)} $$ 5.7 ± 2.7 (stat) ± 3.0 (syst) of their respective standard model (SM) expectations. The corresponding observed (expected) significance amounts to 4.7 (5.2) standard deviations for $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H , and to 1.4 (0.3) for $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H production. Assuming that the Higgs boson coupling to the tau lepton is equal in strength to its expectation in the SM, the coupling $$y_{{\mathrm{t}}}$$ y t of the Higgs boson to the top quark divided by its SM expectation, $$\kappa _{{\mathrm{t}}}=y_{{\mathrm{t}}}/y_{{\mathrm{t}}}^{\mathrm {SM}}$$ κ t = y t / y t SM , is constrained to be within $$-0.9< \kappa _{{\mathrm{t}}}< -0.7$$ - 0.9 < κ t < - 0.7 or $$0.7< \kappa _{{\mathrm{t}}}< 1.1$$ 0.7 < κ t < 1.1 , at 95% confidence level. This result is the most sensitive measurement of the $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H production rate to date. 
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