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Title: Search for the exotic decay of the Higgs boson into two light pseudoscalars with four photons in the final state in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
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.  more » « less
Award ID(s):
2011848 2121686
PAR ID:
10435274
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2023
Issue:
7
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    A bstract A search for a light pseudoscalar Higgs boson (a) decaying from the 125 GeV (or a heavier) scalar Higgs boson (H) is performed using the 2016 LHC proton-proton collision data at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 35 . 9 fb − 1 , collected by the CMS experiment. The analysis considers gluon fusion and vector boson fusion production of the H, followed by the decay H → aa → μμττ , and considers pseudoscalar masses in the range 3 . 6 < m a < 21 GeV. Because of the large mass difference between the H and the a bosons and the small masses of the a boson decay products, both the μμ and the ττ pairs have high Lorentz boost and are collimated. The ττ reconstruction efficiency is increased by modifying the standard technique for hadronic τ lepton decay reconstruction to account for a nearby muon. No significant signal is observed. Model-independent limits are set at 95% confidence level, as a function of m a , on the branching fraction (ℬ) for H → aa → μμττ , down to 1 . 5 (2 . 0) × 10 − 4 for m H = 125 (300) GeV. Model-dependent limits on ℬ(H → aa) are set within the context of two Higgs doublets plus singlet models, with the most stringent results obtained for Type-III models. These results extend current LHC searches for heavier a bosons that decay to resolved lepton pairs and provide the first such bounds for an H boson with a mass above 125 GeV. 
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  3. A<sc>bstract</sc> A search for a new boson X is presented using CERN LHC proton-proton collision data collected by the CMS experiment at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV in 2016–2018, and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The resonance X decays into either a pair of Higgs bosons HH of mass 125 GeV or an H and a new spin-0 boson Y. One H subsequently decays to a pair of photons, and the second H or Y, to a pair of bottom quarks. The explored mass ranges of X are 260–1000 GeV and 300–1000 GeV, for decays to HH and to HY, respectively, with the Y mass range being 90–800 GeV. For a spin-0 X hypothesis, the 95% confidence level upper limit on the product of its production cross section and decay branching fraction is observed to be within 0.90–0.04 fb, depending on the masses of X and Y. The largest deviation from the background-only hypothesis with a local (global) significance of 3.8 (below 2.8) standard deviations is observed for X and Y masses of 650 and 90 GeV, respectively. The limits are interpreted using several models of new physics. 
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  4. 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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  5. 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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