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Title: Search for a vector-like quark T′ → tH via the diphoton decay mode of the Higgs boson in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A bstract A search for the electroweak production of a vector-like quark T′, decaying to a top quark and a Higgs boson is presented. The search is based on a sample of proton-proton collision events recorded at the LHC at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . This is the first T′ search that exploits the Higgs boson decay to a pair of photons. For narrow isospin singlet T′ states with masses up to 1.1 TeV, the excellent diphoton invariant mass resolution of 1–2% results in an increased sensitivity compared to previous searches based on the same production mechanism. The electroweak production of a T′ quark with mass up to 960 GeV is excluded at 95% confidence level, assuming a coupling strength κ T = 0 . 25 and a relative decay width Γ /M T′ < 5%.  more » « less
Award ID(s):
2209553 2121686
PAR ID:
10463770
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2023
Issue:
9
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract A search for low-mass dilepton resonances in Higgs boson decays is conducted in the four-lepton final state. The decay is assumed to proceed via a pair of beyond the standard model particles, or one such particle and a $${\mathrm{Z}}$$ Z boson. The search uses proton–proton collision data collected with the CMS detector at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of 137 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 , at a center-of-mass energy $$\sqrt{s} = 13\,\text {TeV} $$ s = 13 TeV . No significant deviation from the standard model expectation is observed. Upper limits at 95% confidence level are set on model-independent Higgs boson decay branching fractions. Additionally, limits on dark photon and axion-like particle production, based on two specific models, are reported. 
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  2. Abstract A search for flavor-changing neutral current interactions of the top quark (t) and the Higgs boson (H) is presented. The search is based on a data sample corresponding to an integrated luminosity of 137 fb − 1 recorded by the CMS experiment at the LHC in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. Events containing exactly one lepton (muon or electron) and at least three jets, among which at least two are identified as originating from the hadronization of a bottom quark, are analyzed. A set of deep neural networks is used for kinematic event reconstruction, while boosted decision trees distinguish the signal from the background events. No significant excess over the background predictions is observed, and upper limits on the signal production cross sections are extracted. These limits are interpreted in terms of top quark decay branching fractions ( $$ \mathcal{B} $$ B ) to the Higgs boson and an up (u) or a charm quark (c). Assuming one nonvanishing extra coupling at a time, the observed (expected) upper limits at 95% confidence level are $$ \mathcal{B} $$ B (t → Hu) < 0 . 079 (0 . 11)% and $$ \mathcal{B} $$ B (t → Hc) < 0 . 094 (0 . 086)%. 
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  3. A bstract A search for long-lived particles decaying in the outer regions of the CMS silicon tracker or in the calorimeters is presented. The search is based on a data sample of proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC in 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . A novel technique, using nearly trackless and out-of-time jet information combined in a deep neural network discriminator, is employed to identify decays of long-lived particles. The results are interpreted in a simplified model of chargino-neutralino production, where the neutralino is the next-to-lightest supersymmetric particle, is long-lived, and decays to a gravitino and either a Higgs or Z boson. This search is most sensitive to neutralino proper decay lengths of approximately 0.5 m, for which masses up to 1.18 TeV are excluded at 95% confidence level. The current search is the best result to date in the mass range from the kinematic limit imposed by the Higgs boson mass up to 1.8 TeV. 
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  4. null (Ed.)
    A bstract A search for standard model Higgs bosons (H) produced with transverse momentum ( p T ) greater than 450 GeV and decaying to bottom quark-antiquark pairs ( $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ ) is performed using proton-proton collision data collected by the CMS experiment at the LHC at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 137 fb − 1 . The search is inclusive in the Higgs boson production mode. Highly Lorentz-boosted Higgs bosons decaying to $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ are reconstructed as single large-radius jets, and are identified using jet substructure and a dedicated b tagging technique based on a deep neural network. The method is validated with Z → $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ decays. For a Higgs boson mass of 125 GeV, an excess of events above the background assuming no Higgs boson production is observed with a local significance of 2.5 standard deviations ( σ ), while the expectation is 0.7. The corresponding signal strength and local significance with respect to the standard model expectation are μ H = 3 . 7 ± 1 . 2(stat) $$ {}_{-0.7}^{+0.8} $$ − 0.7 + 0.8 (syst) $$ {}_{-0.5}^{+0.8} $$ − 0.5 + 0.8 (theo) and 1 . 9 σ . Additionally, an unfolded differential cross section as a function of Higgs boson p T for the gluon fusion production mode is presented, assuming the other production modes occur at the expected rates. 
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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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