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Title: Search for exotic decays of the Higgs boson into long-lived particles in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV using displaced vertices in the ATLAS inner detector
A bstract A novel search for exotic decays of the Higgs boson into pairs of long-lived neutral particles, each decaying into a bottom quark pair, is performed using 139 fb − 1 of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the LHC. Events consistent with the production of a Higgs boson in association with a leptonically decaying Z boson are analysed. Long-lived particle (LLP) decays are reconstructed from inner-detector tracks as displaced vertices with high mass and track multiplicity relative to Standard Model processes. The analysis selection requires the presence of at least two displaced vertices, effectively suppressing Standard Model backgrounds. The residual background contribution is estimated using a data-driven technique. No excess over Standard Model predictions is observed, and upper limits are set on the branching ratio of the Higgs boson to LLPs. Branching ratios above 10% are excluded at 95% confidence level for LLP mean proper lifetimes cτ as small as 4 mm and as large as 100 mm. For LLP masses below 40 GeV, these results represent the most stringent constraint in this lifetime regime.  more » « less
Award ID(s):
2111046
NSF-PAR ID:
10318268
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
11
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. A bstract A search for long-lived particles (LLPs) produced in association with a Z boson is presented. The study is performed using data from proton-proton collisions with a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by the CMS experiment during 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 117 fb − 1 . The LLPs are assumed to decay to a pair of standard model quarks that are identified as displaced jets within the CMS tracker system. Triggers and selections based on Z boson decays to electron or muon pairs improve the sensitivity to light LLPs (down to 15 GeV). This search provides sensitivity to beyond the standard model scenarios which predict LLPs produced in association with a Z boson. In particular, the results are interpreted in the context of exotic decays of the Higgs boson to a pair of scalar LLPs (H → SS). The Higgs boson decay branching fraction is constrained to values less than 6% for proper decay lengths of 10–100 mm and for LLP masses between 40 and 55 GeV. In the case of low-mass ( ≈ 15 GeV) scalar particles that subsequently decay to a pair of b quarks, the search is sensitive to branching fractions $$ \mathcal{B} $$ B (H → SS) < 20% for proper decay lengths of 10–50 mm. The use of associated production with a Z boson increases the sensitivity to low-mass LLPs of this analysis with respect to gluon fusion searches. In the case of 15 GeV scalar LLPs, the improvement corresponds to a factor of 2 at a proper decay length of 30 mm. 
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  2. Abstract A search is performed for massive long-lived particles (LLPs) decaying semileptonically into a muon and two quarks. Two kinds of LLP production processes were considered. In the first, a Higgs-like boson with mass from 30 to 200 $$\text {\,GeV\!/}c^2$$ \,GeV\!/ c 2 is produced by gluon fusion and decays into two LLPs. The analysis covers LLP mass values from 10 $$\text {\,GeV\!/}c^2$$ \,GeV\!/ c 2 up to about one half the Higgs-like boson mass. The second LLP production mode is directly from quark interactions, with LLP masses from 10 to 90 $$\text {\,GeV\!/}c^2$$ \,GeV\!/ c 2 . The LLP lifetimes considered range from 5 to 200 ps. This study uses LHCb data collected from proton-proton collisions at $$\sqrt{s} = 13\text {\,TeV} $$ s = 13 \,TeV , corresponding to an integrated luminosity of 5.4 $$\text {\,fb} ^{-1}$$ \,fb - 1 . No evidence of these long-lived states has been observed, and upper limits on the production cross-section times branching ratio have been set for each model considered. 
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  3. null (Ed.)
    A bstract The search for long-lived particles (LLP) is an exciting physics opportunity in the upcoming runs of the Large Hadron Collider. In this paper, we focus on a new search strategy of using the High Granularity Calorimeter (HGCAL), part of the upgrade of the CMS detector, in such searches. In particular, we demonstrate that the high granularity of the calorimeter allows us to see “shower tracks” in the calorimeter, and can play a crucial role in identifying the signal and suppressing the background. We study the potential reach of the HGCAL using a signal model in which the Standard Model Higgs boson decays into a pair of LLPs, h → XX . After carefully estimating the Standard Model QCD and the misreconstructed fake-track backgrounds, we give the projected reach for both an existing vector boson fusion trigger and a novel displaced-track-based trigger. Our results show that the best reach for the Higgs decay branching ratio, BR( h → XX ), in the vector boson fusion channel is about $$ \mathcal{O} $$ O (10 − 4 ) with lifetime cτ X ∼ 0 . 1–1 meters, while for the gluon gluon fusion channel it is about $$ \mathcal{O} $$ O (10 − 5 –10 − 6 ) for similar lifetimes. For longer lifetime cτ X ∼ 10 3 meters, our search could probe BR( h → XX ) down to a few × 10 − 4 (10 − 2 ) in the gluon gluon fusion (vector boson fusion) channels, respectively. In comparison with these previous searches, our new search shows enhanced sensitivity in complementary regions of the LLP parameter space. We also comment on many improvements can be implemented to further improve our proposed search. 
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  4. A<sc>bstract</sc>

    An inclusive search for long-lived exotic particles decaying to a pair of muons is presented. The search uses data collected by the CMS experiment at the CERN LHC in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV in 2016 and 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 97.6 fb1. The experimental signature is a pair of oppositely charged muons originating from a common secondary vertex spatially separated from the pp interaction point by distances ranging from several hundredμm to several meters. The results are interpreted in the frameworks of the hidden Abelian Higgs model, in which the Higgs boson decays to a pair of long-lived dark photons ZD, and of a simplified model, in which long-lived particles are produced in decays of an exotic heavy neutral scalar boson. For the hidden Abelian Higgs model withm(ZD) greater than 20 GeV and less than half the mass of the Higgs boson, they provide the best limits to date on the branching fraction of the Higgs boson to dark photons for(ZD) (varying withm(ZD)) between 0.03 and ≈0.5 mm, and above ≈0.5 m. Our results also yield the best constraints on long-lived particles with masses larger than 10 GeV produced in decays of an exotic scalar boson heavier than the Higgs boson and decaying to a pair of muons.

     
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  5. Abstract This paper presents a measurement of the electroweak production of two jets in association with a $$Z\gamma $$ Z γ pair, with the Z boson decaying into two neutrinos. It also presents a search for invisible or partially invisible decays of a Higgs boson with a mass of 125  $$\text {GeV}$$ GeV produced through vector-boson fusion with a photon in the final state. These results use data from LHC proton–proton collisions at $$\sqrt{s}$$ s = 13  $$\text {TeV}$$ TeV collected with the ATLAS detector and corresponding to an integrated luminosity of 139  $$\hbox {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The event signature, shared by all benchmark processes considered for the measurements and searches, is characterized by a significant amount of unbalanced transverse momentum and a photon in the final state, in addition to a pair of forward jets. Electroweak $$Z\gamma $$ Z γ production in association with two jets is observed in this final state with a significance of 5.2 (5.1 expected) standard deviations. The measured fiducial cross-section for this process is $$1.31\pm 0.29$$ 1.31 ± 0.29  fb. An observed (expected) upper limit of 0.37 ( $$0.34^{+0.15}_{-0.10}$$ 0 . 34 - 0.10 + 0.15 ) at 95% confidence level is set on the branching ratio of a 125  $$\text {GeV}$$ GeV Higgs boson to invisible particles, assuming the Standard Model production cross-section. The signature is also interpreted in the context of decays of a Higgs boson into a photon and a dark photon. An observed (expected) 95% CL upper limit on the branching ratio for this decay is set at 0.018 ( $$0.017^{+0.007}_{-0.005}$$ 0 . 017 - 0.005 + 0.007 ), assuming the Standard Model production cross-section for a 125  $$\text {GeV}$$ GeV Higgs boson. 
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