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Title: Inclusive search for highly boosted Higgs bosons decaying to bottom quark-antiquark pairs in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
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.  more » « less
Award ID(s):
1914059
NSF-PAR ID:
10285247
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2020
Issue:
12
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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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  2. null (Ed.)
    A bstract A search for nonresonant production of Higgs boson pairs via gluon-gluon and vector boson fusion processes in final states with two bottom quarks and two photons is presented. The search uses data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 . No significant deviation from the background-only hypothesis is observed. An upper limit at 95% confidence level is set on the product of the Higgs boson pair production cross section and branching fraction into $$ \gamma \gamma \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ γγ b b ¯ . The observed (expected) upper limit is determined to be 0.67 (0 . 45) fb, which corresponds to 7.7 (5.2) times the standard model prediction. This search has the highest sensitivity to Higgs boson pair production to date. Assuming all other Higgs boson couplings are equal to their values in the standard model, the observed coupling modifiers of the trilinear Higgs boson self-coupling κ λ and the coupling between a pair of Higgs bosons and a pair of vector bosons c 2V are constrained within the ranges − 3 . 3 < κ λ < 8 . 5 and − 1 . 3 < c 2V < 3 . 5 at 95% confidence level. Constraints on κ λ are also set by combining this analysis with a search for single Higgs bosons decaying to two photons, produced in association with top quark-antiquark pairs, and by performing a simultaneous fit of κ λ and the top quark Yukawa coupling modifier κ t . 
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  3. A bstract Results are presented from a search for physics beyond the standard model in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV in channels with two Higgs bosons, each decaying via the process H → b $$ \overline{\mathrm{b}} $$ b ¯ , and large missing transverse momentum. The search uses a data sample corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 collected by the CMS experiment at the CERN LHC. The search is motivated by models of supersymmetry that predict the production of neutralinos, the neutral partners of the electroweak gauge and Higgs bosons. The observed event yields in the signal regions are found to be consistent with the standard model background expectations. The results are interpreted using simplified models of supersymmetry. For the electroweak production of nearly mass-degenerate higgsinos, each of whose decay chains yields a neutralino $$ \left({\overset{\sim }{\upchi}}_1^0\right) $$ χ ~ 1 0 that in turn decays to a massless goldstino and a Higgs boson, $$ \left({\overset{\sim }{\upchi}}_1^0\right) $$ χ ~ 1 0 masses in the range 175 to 1025 GeV are excluded at 95% confidence level. For the strong production of gluino pairs decaying via a slightly lighter $$ \left({\overset{\sim }{\upchi}}_2^0\right) $$ χ ~ 2 0 to H and a light $$ \left({\overset{\sim }{\upchi}}_1^0\right) $$ χ ~ 1 0 , gluino masses below 2330 GeV are excluded. 
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  4. A bstract A search for new heavy resonances decaying to a pair of Higgs bosons (HH) in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is presented. Data were collected with the CMS detector at the LHC in 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . Resonances with a mass between 0.8 and 4.5 TeV are considered using events in which one Higgs boson decays into a bottom quark pair and the other into final states with either one or two charged leptons. Specifically, the single-lepton decay channel $$ \mathrm{HH}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}{\mathrm{WW}}^{\ast}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}\ell v\mathrm{q}{\overline{\mathrm{q}}}^{\prime } $$ HH → b b ¯ WW ∗ → b b ¯ ℓ v q q ¯ ′ and the dilepton decay channels $$ \mathrm{HH}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}{\mathrm{WW}}^{\ast}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}\ell v\ell v $$ HH → b b ¯ WW ∗ → b b ¯ ℓ v ℓ v and $$ \mathrm{HH}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}\uptau \uptau \to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}\ell vv\ell vv $$ HH → b b ¯ ττ → b b ¯ ℓ vv ℓ vv are examined, where ℓ in the final state corresponds to an electron or muon. The signal is extracted using a two-dimensional maximum likelihood fit of the $$ \mathrm{H}\to \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ H → b b ¯ jet mass and HH invariant mass distributions. No significant excess above the standard model expectation is observed in data. Model-independent exclusion limits are placed on the product of the cross section and branching fraction for narrow spin-0 and spin-2 massive bosons decaying to HH. The results are also interpreted in the context of radion and bulk graviton production in models with a warped extra spatial dimension. The results provide the most stringent limits to date for X → HH signatures with final-state leptons and at some masses provide the most sensitive limits of all X → HH searches. 
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  5. A<sc>bstract</sc>

    Results are presented from a search for the Higgs boson decay HZγ, where Z→ ℓ+with= e or μ. The search is performed using a sample of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. Events are assigned to mutually exclusive categories, which exploit differences in both event topology and kinematics of distinct Higgs production mechanisms to enhance signal sensitivity. The signal strengthμ, defined as the product of the cross section and the branching fraction$$ \left[\sigma \left(\textrm{pp}\to \textrm{H}\right)\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)\right] $$σppHBHrelative to the standard model prediction, is extracted from a simultaneous fit to the+γ invariant mass distributions in all categories and is measured to beμ= 2.4 ± 0.9 for a Higgs boson mass of 125.38 GeV. The statistical significance of the observed excess of events is 2.7 standard deviations. This measurement corresponds to$$ \left[\sigma \left(\textrm{pp}\to \textrm{H}\right)\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)\right]=0.21\pm 0.08 $$σppHBH=0.21±0.08pb. The observed (expected) upper limit at 95% confidence level onμis 4.1 (1.8), where the expected limit is calculated under the background-only hypothesis. The ratio of branching fractions$$ \mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)/\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \upgamma \upgamma \right) $$BH/BHγγis measured to be$$ {1.5}_{-0.6}^{+0.7} $$1.50.6+0.7, which agrees with the standard model prediction of 0.69 ± 0.04 at the 1.5 standard deviation level.

     
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