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Title: Identification of boosted Higgs bosons decaying into b-quark pairs with the ATLAS detector at 13 $$\text {TeV}$$
Abstract This paper describes a study of techniques for identifying Higgs bosons at high transverse momenta decaying into bottom-quark pairs, $$H \rightarrow b\bar{b}$$ H → b b ¯ , for proton–proton collision data collected by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy $$\sqrt{s}=13$$ s = 13   $$\text {TeV}$$ TeV . These decays are reconstructed from calorimeter jets found with the anti- $$k_{t}$$ k t $$R = 1.0$$ R = 1.0 jet algorithm. To tag Higgs bosons, a combination of requirements is used: b -tagging of $$R = 0.2$$ R = 0.2 track-jets matched to the large- R calorimeter jet, and requirements on the jet mass and other jet substructure variables. The Higgs boson tagging efficiency and corresponding multijet and hadronic top-quark background rejections are evaluated using Monte Carlo simulation. Several benchmark tagging selections are defined for different signal efficiency targets. The modelling of the relevant input distributions used to tag Higgs bosons is studied in 36 fb $$^{-1}$$ - 1 of data collected in 2015 and 2016 using $$g\rightarrow b\bar{b}$$ g → b b ¯ and $$Z(\rightarrow b\bar{b})\gamma $$ Z ( → b b ¯ ) γ event selections in data. Both processes are found to be well modelled within the statistical and systematic uncertainties.  more » « less
Award ID(s):
2013070
NSF-PAR ID:
10271878
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
79
Issue:
10
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    A bstract A search for standard model Higgs bosons (H) produced with transverse momentum ( p T ) greater than 450 GeV and decaying to bottom quark-antiquark pairs ( $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ ) is performed using proton-proton collision data collected by the CMS experiment at the LHC at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 137 fb − 1 . The search is inclusive in the Higgs boson production mode. Highly Lorentz-boosted Higgs bosons decaying to $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ are reconstructed as single large-radius jets, and are identified using jet substructure and a dedicated b tagging technique based on a deep neural network. The method is validated with Z → $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ decays. For a Higgs boson mass of 125 GeV, an excess of events above the background assuming no Higgs boson production is observed with a local significance of 2.5 standard deviations ( σ ), while the expectation is 0.7. The corresponding signal strength and local significance with respect to the standard model expectation are μ H = 3 . 7 ± 1 . 2(stat) $$ {}_{-0.7}^{+0.8} $$ − 0.7 + 0.8 (syst) $$ {}_{-0.5}^{+0.8} $$ − 0.5 + 0.8 (theo) and 1 . 9 σ . Additionally, an unfolded differential cross section as a function of Higgs boson p T for the gluon fusion production mode is presented, assuming the other production modes occur at the expected rates. 
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  2. 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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  3. Abstract

    A search for pair-produced vector-like quarks using events with exactly one lepton (eor$$\mu $$μ), at least four jets including at least oneb-tagged jet, and large missing transverse momentum is presented. Data from proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of$$\sqrt{s}=$$s=13 $$\text {TeV}$$TeV, recorded by the ATLAS detector at the LHC from 2015 to 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$-1, are analysed. Vector-like partnersTandBof the top and bottom quarks are considered, as is a vector-likeXwith charge$$+5/3$$+5/3, assuming their decay into aW,Z, or Higgs boson and a third-generation quark. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section ofTandBquark pairs as a function of their mass are derived for various decay branching ratio scenarios. The strongest lower limits on the masses are 1.59 $$\text {TeV}$$TeVassuming mass-degenerate vector-like quarks and branching ratios corresponding to the weak-isospin doublet model, and 1.47 $$\text {TeV}$$TeV(1.46 $$\text {TeV}$$TeV) for exclusive$$T \rightarrow Zt$$TZt($$B/X \rightarrow Wt$$B/XWt) decays. In addition, lower limits on theTandBquark masses are derived for all possible branching ratios.

     
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  4. A bstract The production of dark matter in association with Higgs bosons is predicted in several extensions of the Standard Model. An exploration of such scenarios is presented, considering final states with missing transverse momentum and b -tagged jets consistent with a Higgs boson. The analysis uses proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS experiment at the LHC during Run 2, amounting to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . The analysis, when compared with previous searches, benefits from a larger dataset, but also has further improvements providing sensitivity to a wider spectrum of signal scenarios. These improvements include both an optimised event selection and advances in the object identification, such as the use of the likelihood-based significance of the missing transverse momentum and variable-radius track-jets. No significant deviation from Standard Model expectations is observed. Limits are set, at 95% confidence level, in two benchmark models with two Higgs doublets extended by either a heavy vector boson Z ′ or a pseudoscalar singlet a and which both provide a dark matter candidate χ . In the case of the two-Higgs-doublet model with an additional vector boson Z ′, the observed limits extend up to a Z ′ mass of 3 TeV for a mass of 100 GeV for the dark matter candidate. The two-Higgs-doublet model with a dark matter particle mass of 10 GeV and an additional pseudoscalar a is excluded for masses of the a up to 520 GeV and 240 GeV for tan β = 1 and tan β = 10 respectively. Limits on the visible cross-sections are set and range from to 0.05 fb to 3.26 fb, depending on the missing transverse momentum and b -quark jet multiplicity requirements. 
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  5. Abstract A search for the Higgs boson decaying into a pair of charm quarks is presented. The analysis uses proton–proton collisions to target the production of a Higgs boson in association with a leptonically decaying W or Z boson. The dataset delivered by the LHC at a centre-of-mass energy of "Equation missing" and recorded by the ATLAS detector corresponds to an integrated luminosity of 139  $$\text{ fb}^{-1}$$ fb - 1 . Flavour-tagging algorithms are used to identify jets originating from the hadronisation of charm quarks. The analysis method is validated with the simultaneous measurement of WW ,  WZ and ZZ production, with observed (expected) significances of 2.6 (2.2) standard deviations above the background-only prediction for the $$(W/Z)Z(\rightarrow c{\bar{c}})$$ ( W / Z ) Z ( → c c ¯ ) process and 3.8 (4.6) standard deviations for the $$(W/Z)W(\rightarrow cq)$$ ( W / Z ) W ( → c q ) process. The $$(W/Z)H(\rightarrow c {\bar{c}})$$ ( W / Z ) H ( → c c ¯ ) search yields an observed (expected) upper limit of 26 (31) times the predicted Standard Model cross-section times branching fraction for a Higgs boson with a mass of "Equation missing" , corresponding to an observed (expected) constraint on the charm Yukawa coupling modifier $$|\kappa _c| < 8.5~(12.4)$$ | κ c | < 8.5 ( 12.4 ) , at the 95% confidence level. A combination with the ATLAS $$(W/Z)H, H\rightarrow b{\bar{b}}$$ ( W / Z ) H , H → b b ¯ analysis is performed, allowing the ratio $$\kappa _c / \kappa _b$$ κ c / κ b to be constrained to less than 4.5 at the 95% confidence level, smaller than the ratio of the b- and c-quark masses, and therefore determines the Higgs-charm coupling to be weaker than the Higgs-bottom coupling at the 95% confidence level. 
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