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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. 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. 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
  3. Abstract Measurements of the Standard Model Higgs boson decaying into a $$b\bar{b}$$ b b ¯ pair and produced in association with a W or Z boson decaying into leptons, using proton–proton collision data collected between 2015 and 2018 by the ATLAS detector, are presented. The measurements use collisions produced by the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of $$\sqrt{s} = 13\,\text {Te}\text {V}$$ s = 13 Te , corresponding to an integrated luminosity of $$139\,\mathrm {fb}^{-1}$$ 139 fb - 1 . The production of a Higgs boson in association with a W or Z boson is established with observedmore »(expected) significances of 4.0 (4.1) and 5.3 (5.1) standard deviations, respectively. Cross-sections of associated production of a Higgs boson decaying into bottom quark pairs with an electroweak gauge boson, W or Z , decaying into leptons are measured as a function of the gauge boson transverse momentum in kinematic fiducial volumes. The cross-section measurements are all consistent with the Standard Model expectations, and the total uncertainties vary from 30% in the high gauge boson transverse momentum regions to 85% in the low regions. Limits are subsequently set on the parameters of an effective Lagrangian sensitive to modifications of the WH and ZH processes as well as the Higgs boson decay into $$b\bar{b}$$ b b ¯ .« less
  4. 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
  5. 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 $${\mathrm{H}} \rightarrowmore »{\mathrm{W}} {\mathrm{W}} $$ 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.« less