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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
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> 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 fb−1. 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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  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 Higgs boson pair (HH) production with one Higgs boson decaying to two bottom quarks and the other to two W bosons are presented. The search is done using proton-proton collisions data at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1recorded by the CMS detector at the LHC from 2016 to 2018. The final states considered include at least one leptonically decaying W boson. No evidence for the presence of a signal is observed and corresponding upper limits on the HH production cross section are derived. The limit on the inclusive cross section of the nonresonant HH production, assuming that the distributions of kinematic observables are as expected in the standard model (SM), is observed (expected) to be 14 (18) times the value predicted by the SM, at 95% confidence level. The limits on the cross section are also presented as functions of various Higgs boson coupling modifiers, and anomalous Higgs boson coupling scenarios. In addition, limits are set on the resonant HH production via spin-0 and spin-2 resonances within the mass range 250–900 GeV. 
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  5. This paper presents a search for exotic decays of the Higgs boson into a pair of new pseudoscalar particles, H → aa, where one pseudoscalar decays into a b-quark pair and the other decays into a τ-lepton pair, in the mass range 12 ≤ ma ≤ 60 GeV. The analysis uses pp collision data at \sqrt{s} = 13 TeV collected with the ATLAS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 140 fb−1. No significant excess above the Standard Model (SM) prediction is observed. Assuming the SM Higgs boson production cross section, the search sets upper limits at 95% confidence level on the branching ratio of Higgs bosons decaying into BR (H → aa → bb\tau\tau), between 2.2% and 3.9% depending on the pseudoscalar mass. 
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