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Title: Analysis of the CP structure of the Yukawa coupling between the Higgs boson and τ leptons in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A bstract The first measurement of the CP structure of the Yukawa coupling between the Higgs boson and τ leptons is presented. The measurement is based on data collected in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV by the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 . The analysis uses the angular correlation between the decay planes of τ leptons produced in Higgs boson decays. The effective mixing angle between CP -even and CP -odd τ Yukawa couplings is found to be − 1 ± 19°, compared to an expected value of 0 ± 21° at the 68.3% confidence level. The data disfavour the pure CP -odd scenario at 3.0 standard deviations. The results are compatible with predictions for the standard model Higgs boson.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10374239
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
6
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract A study of the charge conjugation and parity ( $$\textit{CP}$$ CP ) properties of the interaction between the Higgs boson and $$\tau $$ τ -leptons is presented. The study is based on a measurement of $$\textit{CP}$$ CP -sensitive angular observables defined by the visible decay products of $$\tau $$ τ -leptons produced in Higgs boson decays. The analysis uses 139 fb $$^{-1}$$ - 1 of proton–proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of $$\sqrt{s}= 13$$ s = 13  TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Contributions from $$\textit{CP}$$ CP -violating interactions between the Higgs boson and $$\tau $$ τ -leptons are described by a single mixing angle parameter $$\phi _{\tau }$$ ϕ τ in the generalised Yukawa interaction. Without constraining the $$H\rightarrow \tau \tau $$ H → τ τ signal strength to its expected value under the Standard Model hypothesis, the mixing angle $$\phi _{\tau }$$ ϕ τ is measured to be $$9^{\circ } \pm 16^{\circ }$$ 9 ∘ ± 16 ∘ , with an expected value of $$0^{\circ } \pm 28^{\circ }$$ 0 ∘ ± 28 ∘ at the 68% confidence level. The pure $$\textit{CP}$$ CP -odd hypothesis is disfavoured at a level of 3.4 standard deviations. The results are compatible with the predictions for the Higgs boson in the Standard Model. 
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  2. A<sc>bstract</sc> The charge-parity (CP) structure of the Yukawa interaction between the Higgs (H) boson and the top quark is measured in a data sample enriched in the t$$ \overline{\textrm{t}} $$ t ¯ H and tH associated production, using 138 fb−1of data collected in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV by the CMS experiment at the CERN LHC. The study targets events where the H boson decays via H → WW or H →ττand the top quarks decay via t → Wb: the W bosons decay either leptonically or hadronically, and final states characterized by the presence of at least two leptons are studied. Machine learning techniques are applied to these final states to enhance the separation ofCP-even fromCP-odd scenarios. Two-dimensional confidence regions are set onκtand$$ \overset{\sim }{\kappa } $$ κ ~ t, which are respectively defined as theCP-even andCP-odd top-Higgs Yukawa coupling modifiers. No significant fractionalCP-odd contributions, parameterized by the quantity|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt |are observed; the parameter is determined to be|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt |= 0.59 with an interval of (0.24,0.81) at 68% confidence level. The results are combined with previous results covering the H→ZZ and H→ γγdecay modes, yielding two- and one-dimensional confidence regions onκtand$$ \overset{\sim }{\kappa } $$ κ ~ t, while|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt |is determined to be|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt |= 0.28 with an interval of|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt | <0.55 at 68% confidence level, in agreement with the standard modelCP-even prediction of|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt |= 0. 
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  3. 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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  4. null (Ed.)
    A bstract In this paper, a new technique for reconstructing and identifying hadronically decaying τ + τ − pairs with a large Lorentz boost, referred to as the di- τ tagger, is developed and used for the first time in the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. A benchmark di- τ tagging selection is employed in the search for resonant Higgs boson pair production, where one Higgs boson decays into a boosted $$ b\overline{b} $$ b b ¯ pair and the other into a boosted τ + τ − pair, with two hadronically decaying τ -leptons in the final state. Using 139 fb − 1 of proton-proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of 13 TeV, the efficiency of the di- τ tagger is determined and the background with quark- or gluon-initiated jets misidentified as di- τ objects is estimated. The search for a heavy, narrow, scalar resonance produced via gluon-gluon fusion and decaying into two Higgs bosons is carried out in the mass range 1–3 TeV using the same dataset. No deviations from the Standard Model predictions are observed, and 95% confidence-level exclusion limits are set on this model. 
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  5. A bstract A search for Higgs boson pair production in events with two b -jets and two τ -leptons is presented, using a proton–proton collision dataset with an integrated luminosity of 139 fb − 1 collected at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV by the ATLAS experiment at the LHC. Higgs boson pairs produced non-resonantly or in the decay of a narrow scalar resonance in the mass range from 251 to 1600 GeV are targeted. Events in which at least one τ -lepton decays hadronically are considered, and multivariate discriminants are used to reject the backgrounds. No significant excess of events above the expected background is observed in the non-resonant search. The largest excess in the resonant search is observed at a resonance mass of 1 TeV, with a local (global) significance of 3 . 1 σ (2 . 0 σ ). Observed (expected) 95% confidence-level upper limits are set on the non-resonant Higgs boson pair-production cross-section at 4.7 (3.9) times the Standard Model prediction, assuming Standard Model kinematics, and on the resonant Higgs boson pair-production cross-section at between 21 and 900 fb (12 and 840 fb), depending on the mass of the narrow scalar resonance. 
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