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Title: Direct constraint on the Higgs–charm coupling from a search for Higgs boson decays into charm quarks with the ATLAS detector
Abstract A search for the Higgs boson decaying into a pair of charm quarks is presented. The analysis uses proton–proton collisions to target the production of a Higgs boson in association with a leptonically decaying W or Z boson. The dataset delivered by the LHC at a centre-of-mass energy of "Equation missing" and recorded by the ATLAS detector corresponds to an integrated luminosity of 139  $$\text{ fb}^{-1}$$ fb - 1 . Flavour-tagging algorithms are used to identify jets originating from the hadronisation of charm quarks. The analysis method is validated with the simultaneous measurement of WW ,  WZ and ZZ production, with observed (expected) significances of 2.6 (2.2) standard deviations above the background-only prediction for the $$(W/Z)Z(\rightarrow c{\bar{c}})$$ ( W / Z ) Z ( → c c ¯ ) process and 3.8 (4.6) standard deviations for the $$(W/Z)W(\rightarrow cq)$$ ( W / Z ) W ( → c q ) process. The $$(W/Z)H(\rightarrow c {\bar{c}})$$ ( W / Z ) H ( → c c ¯ ) search yields an observed (expected) upper limit of 26 (31) times the predicted Standard Model cross-section times branching fraction for a Higgs boson with a mass of "Equation missing" , corresponding to an observed (expected) constraint on the charm Yukawa coupling modifier $$|\kappa _c| < 8.5~(12.4)$$ | κ c | < 8.5 ( 12.4 ) , at the 95% confidence level. A combination with the ATLAS $$(W/Z)H, H\rightarrow b{\bar{b}}$$ ( W / Z ) H , H → b b ¯ analysis is performed, allowing the ratio $$\kappa _c / \kappa _b$$ κ c / κ b to be constrained to less than 4.5 at the 95% confidence level, smaller than the ratio of the b- and c-quark masses, and therefore determines the Higgs-charm coupling to be weaker than the Higgs-bottom coupling at the 95% confidence level.  more » « less
Award ID(s):
2111244
NSF-PAR ID:
10407573
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
82
Issue:
8
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A search for the Higgs boson decaying into a pair of charm quarks is presented. The analysis uses proton– proton collisions to target the production of a Higgs boson in association with a leptonically decaying W or Z boson. The dataset delivered by the LHC at a centre-of-mass energy of √ s = 13 TeV and recorded by the ATLAS detector corresponds to an integrated luminosity of 139 fb−1. Flavourtagging algorithms are used to identify jets originating from the hadronisation of charm quarks. The analysis method is validated with the simultaneous measurement of WW,WZ and ZZ production, with observed (expected) significances of 2.6 (2.2) standard deviations above the background-only prediction for the (W/Z)Z(→ c ¯ c) process and 3.8 (4.6) standard deviations for the (W/Z)W(→ cq) process. The (W/Z)H(→ c ¯ c) search yields an observed (expected) upper limit of 26 (31) times the predicted Standard Model crosssection times branching fraction for a Higgs boson with a mass of 125 GeV, corresponding to an observed (expected) constraint on the charm Yukawa coupling modifier |κc| < 8.5 (12.4), at the 95% confidence level. A combination with theATLAS(W/Z)H, H → b¯b analysis is performed, allowing the ratio κc/κb to be constrained to less than 4.5 at the 95% confidence level, smaller than the ratio of the b- and c-quark masses, and therefore determines the Higgs-charm coupling to be weaker than the Higgs-bottom coupling at the 95% confidence level. 
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  2. null (Ed.)
    Abstract The rate for Higgs ( $${\mathrm{H}} $$ H ) bosons production in association with either one ( $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H ) or two ( $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H ) top quarks is measured in final states containing multiple electrons, muons, or tau leptons decaying to hadrons and a neutrino, using proton–proton collisions recorded at a center-of-mass energy of $$13\,\text {TeV} $$ 13 TeV by the CMS experiment. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The analysis is aimed at events that contain $${\mathrm{H}} \rightarrow {\mathrm{W}} {\mathrm{W}} $$ H → W W , $${\mathrm{H}} \rightarrow {\uptau } {\uptau } $$ H → τ τ , or $${\mathrm{H}} \rightarrow {\mathrm{Z}} {\mathrm{Z}} $$ H → Z Z decays and each of the top quark(s) decays either to lepton+jets or all-jet channels. Sensitivity to signal is maximized by including ten signatures in the analysis, depending on the lepton multiplicity. The separation among $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H , $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H , and the backgrounds is enhanced through machine-learning techniques and matrix-element methods. The measured production rates for the $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H and $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H signals correspond to $$0.92 \pm 0.19\,\text {(stat)} ^{+0.17}_{-0.13}\,\text {(syst)} $$ 0.92 ± 0.19 (stat) - 0.13 + 0.17 (syst) and $$5.7 \pm 2.7\,\text {(stat)} \pm 3.0\,\text {(syst)} $$ 5.7 ± 2.7 (stat) ± 3.0 (syst) of their respective standard model (SM) expectations. The corresponding observed (expected) significance amounts to 4.7 (5.2) standard deviations for $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H , and to 1.4 (0.3) for $${\mathrm{t}} {\mathrm{H}} $$ t H production. Assuming that the Higgs boson coupling to the tau lepton is equal in strength to its expectation in the SM, the coupling $$y_{{\mathrm{t}}}$$ y t of the Higgs boson to the top quark divided by its SM expectation, $$\kappa _{{\mathrm{t}}}=y_{{\mathrm{t}}}/y_{{\mathrm{t}}}^{\mathrm {SM}}$$ κ t = y t / y t SM , is constrained to be within $$-0.9< \kappa _{{\mathrm{t}}}< -0.7$$ - 0.9 < κ t < - 0.7 or $$0.7< \kappa _{{\mathrm{t}}}< 1.1$$ 0.7 < κ t < 1.1 , at 95% confidence level. This result is the most sensitive measurement of the $${\mathrm{t}} {{\overline{{{\mathrm{t}}}}}} {\mathrm{H}} $$ t t ¯ H production rate to date. 
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  3. Abstract

    This paper reports a search for Higgs boson pair (hh) production in association with a vector boson ($$W\; {\text {o}r}\; Z$$WorZ) using 139 fb$$^{-1}$$-1of proton–proton collision data at$$\sqrt{s}=13\,\text {TeV}$$s=13TeVrecorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search is performed in final states in which the vector boson decays leptonically ($$W\rightarrow \ell \nu ,\, Z\rightarrow \ell \ell ,\nu \nu $$Wν,Z,ννwith$$\ell =e, \mu $$=e,μ) and the Higgs bosons each decay into a pair ofb-quarks. It targetsVhhsignals from both non-resonanthhproduction, present in the Standard Model (SM), and resonanthhproduction, as predicted in some SM extensions. A 95% confidence-level upper limit of 183 (87) times the SM cross-section is observed (expected) for non-resonantVhhproduction when assuming the kinematics are as expected in the SM. Constraints are also placed on Higgs boson coupling modifiers. For the resonant search, upper limits on the production cross-sections are derived for two specific models: one is the production of a vector boson along with a neutral heavy scalar resonanceH, in the mass range 260–1000 GeV, that decays intohh, and the other is the production of a heavier neutral pseudoscalar resonanceAthat decays into aZboson andHboson, where theAboson mass is 360–800 GeV and theHboson mass is 260–400 GeV. Constraints are also derived in the parameter space of two-Higgs-doublet models.

     
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  4. 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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  5. A bstract The first search for nonresonant production of Higgs boson pairs (HH) with one H decaying into four leptons and the other into a pair of b quarks is presented, using proton-proton collisions recorded at a center-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV by the CMS experiment. The analyzed data correspond to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . A 95% confidence level upper limit of 32.4 is set on the signal strength modifier μ , defined as the ratio of the observed HH production rate in the $$ \textrm{HH}\to {\textrm{ZZ}}^{\ast}\textrm{b}\overline{\textrm{b}}\to 4\ell \textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ HH → ZZ ∗ b b ¯ → 4 ℓ b b ¯ decay channel to the standard model (SM) expectation. Possible modifications of the H trilinear coupling λ HHH with respect to the SM value are investigated. The coupling modifier κ λ , defined as λ HHH divided by its SM prediction, is constrained to be within the observed (expected) range − 8 . 8 ( − 9 . 8) < κ λ < 13 . 4 (15 . 0) at 95% confidence level. 
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