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Title: Constraints on spin-0 dark matter mediators and invisible Higgs decays using ATLAS 13 TeV pp collision data with two top quarks and missing transverse momentum in the final state
Abstract This paper presents a statistical combination of searches targeting final states with two top quarks and invisible particles, characterised by the presence of zero, one or two leptons, at least one jet originating from ab-quark and missing transverse momentum. The analyses are searches for phenomena beyond the Standard Model consistent with the direct production of dark matter inppcollisions at the LHC, using 139 fb$$^{-\text {1}}$$ - 1 of data collected with the ATLAS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The results are interpreted in terms of simplified dark matter models with a spin-0 scalar or pseudoscalar mediator particle. In addition, the results are interpreted in terms of upper limits on the Higgs boson invisible branching ratio, where the Higgs boson is produced according to the Standard Model in association with a pair of top quarks. For scalar (pseudoscalar) dark matter models, with all couplings set to unity, the statistical combination extends the mass range excluded by the best of the individual channels by 50 (25) GeV, excluding mediator masses up to 370 GeV. In addition, the statistical combination improves the expected coupling exclusion reach by 14% (24%), assuming a scalar (pseudoscalar) mediator mass of 10 GeV. An upper limit on the Higgs boson invisible branching ratio of 0.38 ($$\text {0.30}^{+\text {0.13}}_{-\text {0.09}}$$ 0.30 - 0.09 + 0.13 ) is observed (expected) at 95% confidence level.  more » « less
Award ID(s):
2111244
PAR ID:
10498430
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
83
Issue:
6
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract This paper reports a search for Higgs boson pair (hh) production in association with a vector boson ($$W\; {\text {o}r}\; Z$$ W o r Z ) using 139 fb$$^{-1}$$ - 1 of proton–proton collision data at$$\sqrt{s}=13\,\text {TeV}$$ s = 13 TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search is performed in final states in which the vector boson decays leptonically ($$W\rightarrow \ell \nu ,\, Z\rightarrow \ell \ell ,\nu \nu $$ W ν , Z , ν ν with$$\ell =e, \mu $$ = 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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  2. Abstract This paper presents a search for dark matter,$$\chi $$ χ , using events with a single top quark and an energeticWboson. The analysis is based on proton–proton collision data collected with the ATLAS experiment at$$\sqrt{s}=$$ s = 13 TeV during LHC Run 2 (2015–2018), corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$$^{-1}$$ - 1 . The search considers final states with zero or one charged lepton (electron or muon), at least oneb-jet and large missing transverse momentum. In addition, a result from a previous search considering two-charged-lepton final states is included in the interpretation of the results. The data are found to be in good agreement with the Standard Model predictions and the results are interpreted in terms of 95% confidence-level exclusion limits in the context of a class of dark matter models involving an extended two-Higgs-doublet sector together with a pseudoscalar mediator particle. The search is particularly sensitive to on-shell production of the charged Higgs boson state,$$H^{\pm }$$ H ± , arising from the two-Higgs-doublet mixing, and its semi-invisible decays via the mediator particle,a:$$H^{\pm } \rightarrow W^\pm a (\rightarrow \chi \chi )$$ H ± W ± a ( χ χ ) . Signal models with$$H^{\pm }$$ H ± masses up to 1.5 TeV andamasses up to 350 GeV are excluded assuming a$$\tan \beta $$ tan β value of 1. For masses ofaof 150 (250) GeV,$$\tan \beta $$ tan β values up to 2 are excluded for$$H^{\pm }$$ H ± masses between 200 (400) GeV and 1.5 TeV. Signals with$$\tan \beta $$ tan β values between 20 and 30 are excluded for$$H^{\pm }$$ H ± masses between 500 and 800 GeV. 
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  3. Abstract Production cross sections of the standard model Higgs boson decaying to a pair of W bosons are measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13$$\,\text {Te\hspace{-.08em}V}$$ Te V . The analysis targets Higgs bosons produced via gluon fusion, vector boson fusion, and in association with a W or Z boson. Candidate events are required to have at least two charged leptons and moderate missing transverse momentum, targeting events with at least one leptonically decaying W boson originating from the Higgs boson. Results are presented in the form of inclusive and differential cross sections in the simplified template cross section framework, as well as couplings of the Higgs boson to vector bosons and fermions. The data set collected by the CMS detector during 2016–2018 is used, corresponding to an integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The signal strength modifier$$\mu $$ μ , defined as the ratio of the observed production rate in a given decay channel to the standard model expectation, is measured to be$$\mu = 0.95^{+0.10}_{-0.09}$$ μ = 0 . 95 - 0.09 + 0.10 . All results are found to be compatible with the standard model within the uncertainties. 
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  4. Abstract A search for decays to invisible particles of Higgs bosons produced in association with a top-antitop quark pair or a vector boson, which both decay to a fully hadronic final state, has been performed using proton-proton collision data collected at$${\sqrt{s}=13\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}}$$ s = 13 Te V by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The 95% confidence level upper limit set on the branching fraction of the 125$$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V Higgs boson to invisible particles,$${\mathcal {B}({\textrm{H}} \rightarrow \text {inv})}$$ B ( H inv ) , is 0.54 (0.39 expected), assuming standard model production cross sections. The results of this analysis are combined with previous$${\mathcal {B}({\textrm{H}} \rightarrow \text {inv})}$$ B ( H inv ) searches carried out at$${\sqrt{s}=7}$$ s = 7 , 8, and 13$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V in complementary production modes. The combined upper limit at 95% confidence level on$${\mathcal {B}({\textrm{H}} \rightarrow \text {inv})}$$ B ( H inv ) is 0.15 (0.08 expected). 
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  5. Abstract A search for exotic decays of the Higgs boson ($$\text {H}$$ H ) with a mass of 125$$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V to a pair of light pseudoscalars$$\text {a}_{1} $$ a 1 is performed in final states where one pseudoscalar decays to two$${\textrm{b}}$$ b quarks and the other to a pair of muons or$$\tau $$ τ leptons. A data sample of proton–proton collisions at$$\sqrt{s}=13\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V} $$ s = 13 Te V corresponding to an integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 recorded with the CMS detector is analyzed. No statistically significant excess is observed over the standard model backgrounds. Upper limits are set at 95% confidence level ($$\text {CL}$$ CL ) on the Higgs boson branching fraction to$$\upmu \upmu \text{ b } \text{ b } $$ μ μ b b and to$$\uptau \uptau \text{ b } \text{ b },$$ τ τ b b , via a pair of$$\text {a}_{1} $$ a 1 s. The limits depend on the pseudoscalar mass$$m_{\text {a}_{1}}$$ m a 1 and are observed to be in the range (0.17–3.3) $$\times 10^{-4}$$ × 10 - 4 and (1.7–7.7) $$\times 10^{-2}$$ × 10 - 2 in the$$\upmu \upmu \text{ b } \text{ b } $$ μ μ b b and$$\uptau \uptau \text{ b } \text{ b } $$ τ τ b b final states, respectively. In the framework of models with two Higgs doublets and a complex scalar singlet (2HDM+S), the results of the two final states are combined to determine upper limits on the branching fraction$${\mathcal {B}}(\text {H} \rightarrow \text {a}_{1} \text {a}_{1} \rightarrow \ell \ell \text{ b } \text{ b})$$ B ( H a 1 a 1 b b ) at 95%$$\text {CL}$$ CL , with$$\ell $$ being a muon or a$$\uptau $$ τ lepton. For different types of 2HDM+S, upper bounds on the branching fraction$${\mathcal {B}}(\text {H} \rightarrow \text {a}_{1} \text {a}_{1} )$$ B ( H a 1 a 1 ) are extracted from the combination of the two channels. In most of the Type II 2HDM+S parameter space,$${\mathcal {B}}(\text {H} \rightarrow \text {a}_{1} \text {a}_{1} )$$ B ( H a 1 a 1 ) values above 0.23 are excluded at 95%$$\text {CL}$$ CL for$$m_{\text {a}_{1}}$$ m a 1 values between 15 and 60$$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V
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