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Title: Search for dark matter produced in association with a Standard Model Higgs boson decaying into b-quarks using the full Run 2 dataset from the ATLAS detector
A bstract The production of dark matter in association with Higgs bosons is predicted in several extensions of the Standard Model. An exploration of such scenarios is presented, considering final states with missing transverse momentum and b -tagged jets consistent with a Higgs boson. The analysis uses proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS experiment at the LHC during Run 2, amounting to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . The analysis, when compared with previous searches, benefits from a larger dataset, but also has further improvements providing sensitivity to a wider spectrum of signal scenarios. These improvements include both an optimised event selection and advances in the object identification, such as the use of the likelihood-based significance of the missing transverse momentum and variable-radius track-jets. No significant deviation from Standard Model expectations is observed. Limits are set, at 95% confidence level, in two benchmark models with two Higgs doublets extended by either a heavy vector boson Z ′ or a pseudoscalar singlet a and which both provide a dark matter candidate χ . In the case of the two-Higgs-doublet model with an additional vector boson Z ′, the observed limits extend up to a Z ′ mass of 3 TeV for a mass of 100 GeV for the dark matter candidate. The two-Higgs-doublet model with a dark matter particle mass of 10 GeV and an additional pseudoscalar a is excluded for masses of the a up to 520 GeV and 240 GeV for tan β = 1 and tan β = 10 respectively. Limits on the visible cross-sections are set and range from to 0.05 fb to 3.26 fb, depending on the missing transverse momentum and b -quark jet multiplicity requirements.  more » « less
Award ID(s):
1806738
PAR ID:
10350709
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. null (Ed.)
    Abstract A search for dark matter particles is performed using events with a Z boson candidate and large missing transverse momentum. The analysis is based on proton–proton collision data at a center-of-mass energy of 13 $$\,\text {Te}\text {V}$$ Te , collected by the CMS experiment at the LHC in 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The search uses the decay channels $${\mathrm{Z}} \rightarrow {\mathrm{e}} {\mathrm{e}} $$ Z → e e and $${\mathrm{Z}} \rightarrow {{\upmu }{}{}} {{\upmu }{}{}} $$ Z → μ μ . No significant excess of events is observed over the background expected from the standard model. Limits are set on dark matter particle production in the context of simplified models with vector, axial-vector, scalar, and pseudoscalar mediators, as well as on a two-Higgs-doublet model with an additional pseudoscalar mediator. In addition, limits are provided for spin-dependent and spin-independent scattering cross sections and are compared to those from direct-detection experiments. The results are also interpreted in the context of models of invisible Higgs boson decays, unparticles, and large extra dimensions. 
    more » « less
  2. A<sc>bstract</sc> A search for dark matter (DM) particles produced in association with bottom quarks is presented. The analysis uses proton-proton collision data at a center-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The search is performed in a final state with large missing transverse momentum and a pair of jets originating from bottom quarks. No significant excess of data is observed with respect to the standard model expectation. Results are interpreted in the context of a type-II two-Higgs-doublet model with an additional light pseudoscalar (2HDM+a). An upper limit is set on the mass of the lighter pseudoscalar, probing masses up to 260 GeV at 95% confidence level. Sensitivity to the parameter space with the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs doublets, tanβ, greater than 15 is achieved, capitalizing on the enhancement of couplings between pseudoscalars and bottom quarks with high tanβ. 
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  3. 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. 
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  4. A<sc>bstract</sc> A search is presented for new particles produced in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV that result in final states comprising a massive vector (WorZ) boson that decays hadronically and large missing transverse momentum. The data sample was collected with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider from 2015 to 2018 and corresponds to an integrated luminosity of 140 fb−1. No significant excess over the Standard Model expectation is observed. Model-independent 95% confidence-level limits on the visible cross-section that range from 0.3 fb to 79.5 fb are obtained for non-Standard-Model processes. Exclusion limits are also presented for models with axion-like particles, for two-Higgs-doublet models with a pseudo-scalar mediator between the Standard Model and the dark sector, for the invisible decay of the Higgs boson and for pair-produced weakly interacting dark matter candidates. 
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  5. A<sc>bstract</sc> A search for dark matter particles is performed using events with a pair of W bosons and large missing transverse momentum. Candidate events are selected by requiring one or two leptons (ℓ= electrons or muons). The analysis is based on proton-proton collision data collected at a center-of-mass energy of 13 TeV by the CMS experiment at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. No significant excess over the expected standard model background is observed in theℓνqq and 2ℓ2νfinal states of the W+Wboson pair. Limits are set on dark matter production in the context of a simplified dark Higgs model, with a dark Higgs boson mass above the W+Wmass threshold. The dark matter phase space is probed in the mass range 100–300 GeV, extending the scope of previous searches. Current exclusion limits are improved in the range of dark Higgs masses from 160 to 250 GeV, for a dark matter mass of 200 GeV. 
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