Title: Search for $${\text {Z}{}{}} {\text {Z}{}{}} $$ and $${\text {Z}{}{}} {\text {H}{}{}} $$ production in the $${\text {b}{}{}} {\bar{{\text {b}{}{}}}{}{}} {\text {b}{}{}} {\bar{{\text {b}{}{}}}{}{}} $$ final state using proton-proton collisions at $$\sqrt{s}=13\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V} $$
Abstract A search for$${\text {Z}{}{}} {\text {Z}{}{}} $$ Z Z and$${\text {Z}{}{}} {\text {H}{}{}} $$ Z H production in the$${\text {b}{}{}} {\bar{{\text {b}{}{}}}{}{}} {\text {b}{}{}} {\bar{{\text {b}{}{}}}{}{}} $$ b b ¯ b b ¯ final state is presented, where H is the standard model (SM) Higgs boson. The search uses an event sample of proton-proton collisions corresponding to an integrated luminosity of 133$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 collected at a center-of-mass energy of 13$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V with the CMS detector at the CERN LHC. The analysis introduces several novel techniques for deriving and validating a multi-dimensional background model based on control samples in data. A multiclass multivariate classifier customized for the$${\text {b}{}{}} {\bar{{\text {b}{}{}}}{}{}} {\text {b}{}{}} {\bar{{\text {b}{}{}}}{}{}} $$ b b ¯ b b ¯ final state is developed to derive the background model and extract the signal. The data are found to be consistent, within uncertainties, with the SM predictions. The observed (expected) upper limits at 95% confidence level are found to be 3.8 (3.8) and 5.0 (2.9) times the SM prediction for the$${\text {Z}{}{}} {\text {Z}{}{}} $$ Z Z and$${\text {Z}{}{}} {\text {H}{}{}} $$ Z H production cross sections, respectively.  more » « less
Award ID(s):
2209553 2121686
PAR ID:
10537294
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
The European Physical Journal C
Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
84
Issue:
7
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
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  1. 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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  2. 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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  3. Abstract A measurement is presented of a ratio observable that provides a measure of the azimuthal correlations among jets with large transverse momentum$$p_{\textrm{T}}$$ p T . This observable is measured in multijet events over the range of$$p_{\textrm{T}} = 360$$ p T = 360 –$$3170\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V} $$ 3170 Ge V based on data collected by the CMS experiment in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V , corresponding to an integrated luminosity of 134$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The results are compared with predictions from Monte Carlo parton-shower event generator simulations, as well as with fixed-order perturbative quantum chromodynamics (pQCD) predictions at next-to-leading-order (NLO) accuracy obtained with different parton distribution functions (PDFs) and corrected for nonperturbative and electroweak effects. Data and theory agree within uncertainties. From the comparison of the measured observable with the pQCD prediction obtained with the NNPDF3.1 NLO PDFs, the strong coupling at the Z boson mass scale is$$\alpha _\textrm{S} (m_{{\textrm{Z}}}) =0.1177 \pm 0.0013\, \text {(exp)} _{-0.0073}^{+0.0116} \,\text {(theo)} = 0.1177_{-0.0074}^{+0.0117}$$ α S ( m Z ) = 0.1177 ± 0.0013 (exp) - 0.0073 + 0.0116 (theo) = 0 . 1177 - 0.0074 + 0.0117 , where the total uncertainty is dominated by the scale dependence of the fixed-order predictions. A test of the running of$$\alpha _\textrm{S}$$ α S in the$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V region shows no deviation from the expected NLO pQCD behaviour. 
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  4. Abstract A measurement of the dijet production cross section is reported based on proton–proton collision data collected in 2016 at$$\sqrt{s}=13\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V} $$ s = 13 Te V by the CMS experiment at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of up to 36.3$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . Jets are reconstructed with the anti-$$k_{\textrm{T}} $$ k T algorithm for distance parameters of$$R=0.4$$ R = 0.4 and 0.8. Cross sections are measured double-differentially (2D) as a function of the largest absolute rapidity$$|y |_{\text {max}} $$ | y | max of the two jets with the highest transverse momenta$$p_{\textrm{T}}$$ p T and their invariant mass$$m_{1,2} $$ m 1 , 2 , and triple-differentially (3D) as a function of the rapidity separation$$y^{*} $$ y , the total boost$$y_{\text {b}} $$ y b , and either$$m_{1,2} $$ m 1 , 2 or the average$$p_{\textrm{T}}$$ p T of the two jets. The cross sections are unfolded to correct for detector effects and are compared with fixed-order calculations derived at next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics. The impact of the measurements on the parton distribution functions and the strong coupling constant at the mass of the$${\text {Z}} $$ Z boson is investigated, yielding a value of$$\alpha _\textrm{S} (m_{{\text {Z}}}) =0.1179\pm 0.0019$$ α S ( m Z ) = 0.1179 ± 0.0019
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  5. Abstract The strange quark content of the proton is probed through the measurement of the production cross section for a W boson and a charm (c) quark in proton–proton collisions at a center-of-mass energy of 13$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V . The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 collected with the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm jets are tagged using the presence of a muon or a secondary vertex inside the jet. The$$\hbox {W}+\hbox {c}$$ W + c production cross section and the cross section ratio$$R_\textrm{c}^{\pm }= \sigma ({\hbox {W}}^{+}+\bar{\text {c}})/\sigma (\hbox {W}^{-}+{\textrm{c}})$$ R c ± = σ ( W + + c ¯ ) / σ ( W - + c ) are measured inclusively and differentially as functions of the transverse momentum and the pseudorapidity of the lepton originating from the W boson decay. The precision of the measurements is improved with respect to previous studies, reaching 1% in$$R_\textrm{c}^{\pm }= 0.950 \pm 0.005\,\text {(stat)} \pm 0.010 \,\text {(syst)} $$ R c ± = 0.950 ± 0.005 (stat) ± 0.010 (syst) . The measurements are compared with theoretical predictions up to next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics. 
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