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Title: Measurements of production cross sections of the Higgs boson in the four-lepton final state in proton–proton collisions at $$\sqrt{s} = 13\,\text {Te}\text {V} $$
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.  more » « less
Award ID(s):
1913779 2012584
NSF-PAR ID:
10253412
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
81
Issue:
6
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    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. 
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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. 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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  4. A bstract Measurements of the production cross-sections of the Standard Model (SM) Higgs boson ( H ) decaying into a pair of τ -leptons are presented. The measurements use data collected with the ATLAS detector from pp collisions produced at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . Leptonic ( τ → ℓν ℓ ν τ ) and hadronic ( τ → hadrons ν τ ) decays of the τ -lepton are considered. All measurements account for the branching ratio of H → ττ and are performed with a requirement |y H | < 2 . 5, where y H is the true Higgs boson rapidity. The cross-section of the pp → H → ττ process is measured to be 2 . 94 ± $$ 0.21{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.32}^{+0.37} $$ 0.21 stat − 0.32 + 0.37 (syst) pb, in agreement with the SM prediction of 3 . 17 ± 0 . 09 pb. Inclusive cross-sections are determined separately for the four dominant production modes: 2 . 65 ± $$ 0.41{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.67}^{+0.91} $$ 0.41 stat − 0.67 + 0.91 (syst) pb for gluon-gluon fusion, 0 . 197 ± $$ 0.028{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.026}^{+0.032} $$ 0.028 stat − 0.026 + 0.032 (syst) pb for vector-boson fusion, 0 . 115 ± $$ 0.058{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.040}^{+0.042} $$ 0.058 stat − 0.040 + 0.042 (syst) pb for vector-boson associated production, and 0 . 033 ± $$ 0.031{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.017}^{+0.022} $$ 0.031 stat − 0.017 + 0.022 (syst) pb for top-quark pair associated production. Measurements in exclusive regions of the phase space, using the simplified template cross-section framework, are also performed. All results are in agreement with the SM predictions. 
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  5. Abstract

    Measurements of the associated production of a W boson and a charm ($${\text {c}}$$c) quark in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 8$$\,\text {TeV}$$TeVare reported. The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 19.7$$\,\text {fb}^{-1}$$fb-1collected by the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm quark jets are selected using distinctive signatures of charm hadron decays. The product of the cross section and branching fraction$$\sigma (\text {p}\text {p}\rightarrow \text {W}+ {\text {c}}+ \text {X}) {\mathcal {B}}(\text {W}\rightarrow \ell \upnu )$$σ(ppW+c+X)B(Wν), where$$\ell = \text {e}$$=eor$$\upmu $$μ, and the cross section ratio$$\sigma (\text {p}\text {p}\rightarrow {{\text {W}}^{+} + \bar{{\text {c}}} + \text {X}}) / \sigma (\text {p}\text {p}\rightarrow {{\text {W}}^{-} + {\text {c}}+ \text {X}})$$σ(ppW++c¯+X)/σ(ppW-+c+X)are measured in a fiducial volume and differentially as functions of the pseudorapidity and of the transverse momentum of the lepton from the W boson decay. The results are compared with theoretical predictions. The impact of these measurements on the determination of the strange quark distribution is assessed.

     
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