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Title: Search for invisible Higgs-boson decays in events with vector-boson fusion signatures using 139 fb−1 of proton-proton data recorded by the ATLAS experiment
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.  more » « less
Award ID(s):
2111244
NSF-PAR ID:
10407572
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
8
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract This paper presents a measurement of the electroweak production of two jets in association with a $$Z\gamma $$ Z γ pair, with the Z boson decaying into two neutrinos. It also presents a search for invisible or partially invisible decays of a Higgs boson with a mass of 125  $$\text {GeV}$$ GeV produced through vector-boson fusion with a photon in the final state. These results use data from LHC proton–proton collisions at $$\sqrt{s}$$ s = 13  $$\text {TeV}$$ TeV collected with the ATLAS detector and corresponding to an integrated luminosity of 139  $$\hbox {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The event signature, shared by all benchmark processes considered for the measurements and searches, is characterized by a significant amount of unbalanced transverse momentum and a photon in the final state, in addition to a pair of forward jets. Electroweak $$Z\gamma $$ Z γ production in association with two jets is observed in this final state with a significance of 5.2 (5.1 expected) standard deviations. The measured fiducial cross-section for this process is $$1.31\pm 0.29$$ 1.31 ± 0.29  fb. An observed (expected) upper limit of 0.37 ( $$0.34^{+0.15}_{-0.10}$$ 0 . 34 - 0.10 + 0.15 ) at 95% confidence level is set on the branching ratio of a 125  $$\text {GeV}$$ GeV Higgs boson to invisible particles, assuming the Standard Model production cross-section. The signature is also interpreted in the context of decays of a Higgs boson into a photon and a dark photon. An observed (expected) 95% CL upper limit on the branching ratio for this decay is set at 0.018 ( $$0.017^{+0.007}_{-0.005}$$ 0 . 017 - 0.005 + 0.007 ), assuming the Standard Model production cross-section for a 125  $$\text {GeV}$$ GeV Higgs boson. 
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  2. A<sc>bstract</sc>

    This article presents a search for new resonances decaying into aZorWboson and a 125 GeV Higgs bosonh, and it targets the$$ \nu \overline{\nu}b\overline{b} $$νν¯bb¯,$$ {\ell}^{+}{\ell}^{-}b\overline{b} $$+bb¯, or$$ {\ell}^{\pm}\nu b\overline{b} $$±νbb¯final states, where=eorμ, in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV. The data used correspond to a total integrated luminosity of 139 fb1collected by the ATLAS detector during Run 2 of the LHC at CERN. The search is conducted by examining the reconstructed invariant or transverse mass distributions ofZhorWhcandidates for evidence of a localised excess in the mass range from 220 GeV to 5 TeV. No significant excess is observed and 95% confidence-level upper limits between 1.3 pb and 0.3 fb are placed on the production cross section times branching fraction of neutral and charged spin-1 resonances and CP-odd scalar bosons. These limits are converted into constraints on the parameter space of the Heavy Vector Triplet model and the two-Higgs-doublet model.

     
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  3. A<sc>bstract</sc>

    Results are presented from a search for the Higgs boson decay HZγ, where Z→ ℓ+with= e or μ. The search is performed using a sample of proton-proton (pp) collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV, recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. Events are assigned to mutually exclusive categories, which exploit differences in both event topology and kinematics of distinct Higgs production mechanisms to enhance signal sensitivity. The signal strengthμ, defined as the product of the cross section and the branching fraction$$ \left[\sigma \left(\textrm{pp}\to \textrm{H}\right)\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)\right] $$σppHBHrelative to the standard model prediction, is extracted from a simultaneous fit to the+γ invariant mass distributions in all categories and is measured to beμ= 2.4 ± 0.9 for a Higgs boson mass of 125.38 GeV. The statistical significance of the observed excess of events is 2.7 standard deviations. This measurement corresponds to$$ \left[\sigma \left(\textrm{pp}\to \textrm{H}\right)\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)\right]=0.21\pm 0.08 $$σppHBH=0.21±0.08pb. The observed (expected) upper limit at 95% confidence level onμis 4.1 (1.8), where the expected limit is calculated under the background-only hypothesis. The ratio of branching fractions$$ \mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{Z}\upgamma \right)/\mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \upgamma \upgamma \right) $$BH/BHγγis measured to be$$ {1.5}_{-0.6}^{+0.7} $$1.50.6+0.7, which agrees with the standard model prediction of 0.69 ± 0.04 at the 1.5 standard deviation level.

     
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  4. A<sc>bstract</sc>

    A search for a charged Higgs boson H±decaying into a heavy neutral Higgs boson H and a W boson is presented. The analysis targets the H decay into a pair of tau leptons with at least one of them decaying hadronically and with an additional electron or muon present in the event. The search is based on proton-proton collision data recorded by the CMS experiment during 2016–2018 at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. The data are consistent with standard model background expectations. Upper limits at 95% confidence level are set on the product of the cross section and branching fraction for an H±in the mass range of 300–700 GeV, assuming an H with a mass of 200 GeV. The observed limits range from 0.085 pb for an H±mass of 300 Ge V to 0.019 pb for a mass of 700 GeV. These are the first limits on H±production in the H±HW±decay channel at the LHC.

     
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  5. 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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