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Title: Search for dark matter produced in association with a leptonically decaying $${\mathrm{Z}} $$ boson in proton–proton collisions at $$\sqrt{s}=13\,\text {Te}\text {V} $$
Abstract A search for dark matter particles is performed using events with a Z boson candidate and large missing transverse momentum. The analysis is based on proton–proton collision data at a center-of-mass energy of 13 $$\,\text {Te}\text {V}$$ Te , collected by the CMS experiment at the LHC in 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The search uses the decay channels $${\mathrm{Z}} \rightarrow {\mathrm{e}} {\mathrm{e}} $$ Z → e e and $${\mathrm{Z}} \rightarrow {{\upmu }{}{}} {{\upmu }{}{}} $$ Z → μ μ . No significant excess of events is observed over the background expected from the standard model. Limits are set on dark matter particle production in the context of simplified models with vector, axial-vector, scalar, and pseudoscalar mediators, as well as on a two-Higgs-doublet model with an additional pseudoscalar mediator. In addition, limits are provided for spin-dependent and spin-independent scattering cross sections and are compared to those from direct-detection experiments. The results are also interpreted in the context of models of invisible Higgs boson decays, unparticles, and large extra dimensions.
Authors:
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Award ID(s):
2011848 1913779
Publication Date:
NSF-PAR ID:
10227343
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
81
Issue:
1
ISSN:
1434-6044
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 $$4\ellmore »$$ 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.« less
  2. A bstract A search is presented for new particles produced at the LHC in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, using events with energetic jets and large missing transverse momentum. The analysis is based on a data sample corresponding to an integrated luminosity of 101 fb − 1 , collected in 2017–2018 with the CMS detector. Machine learning techniques are used to define separate categories for events with narrow jets from initial-state radiation and events with large-radius jets consistent with a hadronic decay of a W or Z boson. A statistical combination is made with anmore »earlier search based on a data sample of 36 fb − 1 , collected in 2016. No significant excess of events is observed with respect to the standard model background expectation determined from control samples in data. The results are interpreted in terms of limits on the branching fraction of an invisible decay of the Higgs boson, as well as constraints on simplified models of dark matter, on first-generation scalar leptoquarks decaying to quarks and neutrinos, and on models with large extra dimensions. Several of the new limits, specifically for spin-1 dark matter mediators, pseudoscalar mediators, colored mediators, and leptoquarks, are the most restrictive to date.« less
  3. 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 - 1more », 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.« less
  4. A bstract A search for dark-matter particles in events with large missing transverse momentum and a Higgs boson candidate decaying into two photons is reported. The search uses 139 fb − 1 of proton-proton collision data collected at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ATLAS detector at the CERN LHC between 2015 and 2018. No significant excess of events over the Standard Model predictions is observed. The results are interpreted by extracting limits on three simplified models that include either vector or pseudoscalar mediators and predict a final state with a pair of dark-matter candidates and amore »Higgs boson decaying into two photons.« less
  5. A bstract A search for a light pseudoscalar Higgs boson (a) decaying from the 125 GeV (or a heavier) scalar Higgs boson (H) is performed using the 2016 LHC proton-proton collision data at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 35 . 9 fb − 1 , collected by the CMS experiment. The analysis considers gluon fusion and vector boson fusion production of the H, followed by the decay H → aa → μμττ , and considers pseudoscalar masses in the range 3 . 6 < m a < 21 GeV. Because of themore »large mass difference between the H and the a bosons and the small masses of the a boson decay products, both the μμ and the ττ pairs have high Lorentz boost and are collimated. The ττ reconstruction efficiency is increased by modifying the standard technique for hadronic τ lepton decay reconstruction to account for a nearby muon. No significant signal is observed. Model-independent limits are set at 95% confidence level, as a function of m a , on the branching fraction (ℬ) for H → aa → μμττ , down to 1 . 5 (2 . 0) × 10 − 4 for m H = 125 (300) GeV. Model-dependent limits on ℬ(H → aa) are set within the context of two Higgs doublets plus singlet models, with the most stringent results obtained for Type-III models. These results extend current LHC searches for heavier a bosons that decay to resolved lepton pairs and provide the first such bounds for an H boson with a mass above 125 GeV.« less