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Title: Search for Higgs bosons decaying into new spin-0 or spin-1 particles in four-lepton final states with the ATLAS detector with 139 fb−1 of pp collision data at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A bstract Searches are conducted for new spin-0 or spin-1 bosons using events where a Higgs boson with mass 125 GeV decays into four leptons ( ℓ = e , μ ). This decay is presumed to occur via an intermediate state which contains two on-shell, promptly decaying bosons: H → XX/ZX → 4 ℓ , where the new boson X has a mass between 1 and 60 GeV. The search uses pp collision data collected with the ATLAS detector at the LHC with an integrated luminosity of 139 fb − 1 at a centre-of-mass energy $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The data are found to be consistent with Standard Model expectations. Limits are set on fiducial cross sections and on the branching ratio of the Higgs boson to decay into XX/ZX , improving those from previous publications by a factor between two and four. Limits are also set on mixing parameters relevant in extensions of the Standard Model containing a dark sector where X is interpreted to be a dark boson.  more » « less
Award ID(s):
1830832
PAR ID:
10337897
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
3
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A bstract A direct search for Higgs bosons produced via vector-boson fusion and subsequently decaying into invisible particles is reported. The analysis uses 139 fb − 1 of pp collision data at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. The observed numbers of events are found to be in agreement with the background expectation from Standard Model processes. For a scalar Higgs boson with a mass of 125 GeV and a Standard Model production cross section, an observed upper limit of 0 . 145 is placed on the branching fraction of its decay into invisible particles at 95% confidence level, with an expected limit of 0 . 103. These results are interpreted in the context of models where the Higgs boson acts as a portal to dark matter, and limits are set on the scattering cross section of weakly interacting massive particles and nucleons. Invisible decays of additional scalar bosons with masses from 50 GeV to 2 TeV are also studied, and the derived upper limits on the cross section times branching fraction decrease with increasing mass from 1 . 0 pb for a scalar boson mass of 50 GeV to 0 . 1 pb at a mass of 2 TeV. 
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  3. A bstract A search for the exotic decay of the Higgs boson to a pair of light pseudoscalars, each of which subsequently decays into a pair of photons, is presented. The search uses data from proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC that corresponds to an integrated luminosity of 132 fb − 1 . The analysis probes pseudoscalar bosons with masses in the range 15–62 GeV, coming from the Higgs boson decay, which leads to four well-isolated photons in the final state. No significant deviation from the background-only hypothesis is observed. Upper limits are set on the product of the Higgs boson production cross section and branching fraction into four photons. The observed (expected) limits range from 0.80 (1.00) fb for a pseudoscalar boson mass of 15 GeV to 0.26 (0.24) fb for a mass of 62 GeV at 95% confidence level. 
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  4. A<sc>bstract</sc> A search for a new boson X is presented using CERN LHC proton-proton collision data collected by the CMS experiment at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV in 2016–2018, and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The resonance X decays into either a pair of Higgs bosons HH of mass 125 GeV or an H and a new spin-0 boson Y. One H subsequently decays to a pair of photons, and the second H or Y, to a pair of bottom quarks. The explored mass ranges of X are 260–1000 GeV and 300–1000 GeV, for decays to HH and to HY, respectively, with the Y mass range being 90–800 GeV. For a spin-0 X hypothesis, the 95% confidence level upper limit on the product of its production cross section and decay branching fraction is observed to be within 0.90–0.04 fb, depending on the masses of X and Y. The largest deviation from the background-only hypothesis with a local (global) significance of 3.8 (below 2.8) standard deviations is observed for X and Y masses of 650 and 90 GeV, respectively. The limits are interpreted using several models of new physics. 
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  5. null (Ed.)
    A bstract A search for a light pseudoscalar Higgs boson (a) decaying from the 125 GeV (or a heavier) scalar Higgs boson (H) is performed using the 2016 LHC proton-proton collision data at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 35 . 9 fb − 1 , collected by the CMS experiment. The analysis considers gluon fusion and vector boson fusion production of the H, followed by the decay H → aa → μμττ , and considers pseudoscalar masses in the range 3 . 6 < m a < 21 GeV. Because of the large mass difference between the H and the a bosons and the small masses of the a boson decay products, both the μμ and the ττ pairs have high Lorentz boost and are collimated. The ττ reconstruction efficiency is increased by modifying the standard technique for hadronic τ lepton decay reconstruction to account for a nearby muon. No significant signal is observed. Model-independent limits are set at 95% confidence level, as a function of m a , on the branching fraction (ℬ) for H → aa → μμττ , down to 1 . 5 (2 . 0) × 10 − 4 for m H = 125 (300) GeV. Model-dependent limits on ℬ(H → aa) are set within the context of two Higgs doublets plus singlet models, with the most stringent results obtained for Type-III models. These results extend current LHC searches for heavier a bosons that decay to resolved lepton pairs and provide the first such bounds for an H boson with a mass above 125 GeV. 
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