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Title: Search for dark matter in events with missing transverse momentum and a Higgs boson decaying into two photons in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV with the ATLAS detector
A bstract A search for dark-matter particles in events with large missing transverse momentum and a Higgs boson candidate decaying into two photons is reported. The search uses 139 fb − 1 of proton-proton collision data collected at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ATLAS detector at the CERN LHC between 2015 and 2018. No significant excess of events over the Standard Model predictions is observed. The results are interpreted by extracting limits on three simplified models that include either vector or pseudoscalar mediators and predict a final state with a pair of dark-matter candidates and a Higgs boson decaying into two photons.  more » « less
Award ID(s):
2111046
PAR ID:
10318279
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
10
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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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  2. A<sc>bstract</sc> A search for dark matter produced in association with a Higgs boson in final states with two hadronically decayingτ-leptons and missing transverse momentum is presented. The analysis uses 139 fb−1of proton-proton collision data at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV collected by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider between 2015 and 2018. No evidence of physics beyond the Standard Model is found. The results are interpreted in terms of a 2HDM+amodel featuring two scalar Higgs doublets and a pseudoscalar singlet field. Exclusion limits on the parameters of the model in selected benchmark scenarios are derived at 95% confidence level. Model-independent limits are also set on the visible cross-section for processes beyond the Standard Model producing missing transverse momentum in association with a Higgs boson decaying intoτ-leptons. 
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  3. 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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  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 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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  5. A bstract A search is presented for new particles produced at the LHC in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, using events with energetic jets and large missing transverse momentum. The analysis is based on a data sample corresponding to an integrated luminosity of 101 fb − 1 , collected in 2017–2018 with the CMS detector. Machine learning techniques are used to define separate categories for events with narrow jets from initial-state radiation and events with large-radius jets consistent with a hadronic decay of a W or Z boson. A statistical combination is made with an earlier search based on a data sample of 36 fb − 1 , collected in 2016. No significant excess of events is observed with respect to the standard model background expectation determined from control samples in data. The results are interpreted in terms of limits on the branching fraction of an invisible decay of the Higgs boson, as well as constraints on simplified models of dark matter, on first-generation scalar leptoquarks decaying to quarks and neutrinos, and on models with large extra dimensions. Several of the new limits, specifically for spin-1 dark matter mediators, pseudoscalar mediators, colored mediators, and leptoquarks, are the most restrictive to date. 
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