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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
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
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  1. 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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  2. A search for long-lived particles (LLPs) decaying in the CMS muon detectors is presented. A data sample of proton-proton collisions at s = 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 138 fb 1 , recorded at the LHC in 2016–2018, is used. The decays of LLPs are reconstructed as high multiplicity clusters of hits in the muon detectors. In the context of twin Higgs models, the search is sensitive to LLP masses from 0.4 to 55 GeV and a broad range of LLP decay modes, including decays to hadrons, τ leptons, electrons, or photons. No excess of events above the standard model background is observed. The most stringent limits to date from LHC data are set on the branching fraction of the Higgs boson decay to a pair of LLPs with masses below 10 GeV. This search also provides the best limits for various intervals of LLP proper decay length and mass. Finally, this search sets the first limits at the LHC on a dark quantum chromodynamic sector whose particles couple to the Higgs boson through gluon, Higgs boson, photon, vector, and dark-photon portals, and is sensitive to branching fractions of the Higgs boson to dark quarks as low as 2 × 10 3 . © 2024 CERN, for the CMS Collaboration2024CERN 
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  3. 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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  4. Abstract A search is reported for long-lived dark photons with masses between 0.1 GeV and 15 GeV, from exotic decays of Higgs bosons produced via vector-boson-fusion. Events that contain displaced collimated Standard Model fermions reconstructed in the calorimeter or muon spectrometer are probed. This search uses the full LHC Run 2 (2015–2018) data sample collected in proton–proton collisions at$$\sqrt{s}=13$$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 139$$fb^{-1}$$ f b - 1 . Dominant backgrounds from Standard Model processes and non-collision sources are estimated using data-driven techniques. The observed event yields in the signal regions are consistent with the expected background. Upper limits on the Higgs boson to dark photon branching fraction are reported as a function of the dark photon mean proper decay length or of the dark photon mass and the coupling between the Standard Model and the potential dark sector. This search is combined with previous ATLAS searches obtained in the gluon–gluon fusion andWHproduction modes. A branching fraction above 10% is excluded at 95% CL for a 125 GeV Higgs boson decaying into two dark photons for dark photon mean proper decay lengths between 173 and 1296 mm and mass of 10 GeV. 
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  5. 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 fb−1. 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 forcτ(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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