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Title: Search for Higgs boson pair production in the $$ \textrm{b}\overline{\textrm{b}}{\textrm{W}}^{+}{\textrm{W}}^{-} $$ decay mode in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A<sc>bstract</sc> A search for Higgs boson pair (HH) production with one Higgs boson decaying to two bottom quarks and the other to two W bosons are presented. The search is done using proton-proton collisions data at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1recorded by the CMS detector at the LHC from 2016 to 2018. The final states considered include at least one leptonically decaying W boson. No evidence for the presence of a signal is observed and corresponding upper limits on the HH production cross section are derived. The limit on the inclusive cross section of the nonresonant HH production, assuming that the distributions of kinematic observables are as expected in the standard model (SM), is observed (expected) to be 14 (18) times the value predicted by the SM, at 95% confidence level. The limits on the cross section are also presented as functions of various Higgs boson coupling modifiers, and anomalous Higgs boson coupling scenarios. In addition, limits are set on the resonant HH production via spin-0 and spin-2 resonances within the mass range 250–900 GeV.  more » « less
Award ID(s):
2209553 2121686
PAR ID:
10537315
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Journal of High Energy Physics
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2024
Issue:
7
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A<sc>bstract</sc> The results of a search for Higgs boson pair (HH) production in the WW*WW*, WW*ττ, andττττdecay modes are presented. The search uses 138 fb−1of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at the LHC at a center-of-mass energy of 13 TeV from 2016 to 2018. Analyzed events contain two, three, or four reconstructed leptons, including electrons, muons, and hadronically decaying tau leptons. No evidence for a signal is found in the data. Upper limits are set on the cross section for nonresonant HH production, as well as resonant production in which a new heavy particle decays to a pair of Higgs bosons. For nonresonant production, the observed (expected) upper limit on the cross section at 95% confidence level (CL) is 21.3 (19.4) times the standard model (SM) prediction. The observed (expected) ratio of the trilinear Higgs boson self-coupling to its value in the SM is constrained to be within the interval −6.9 to 11.1 (−6.9 to 11.7) at 95% CL, and limits are set on a variety of new-physics models using an effective field theory approach. The observed (expected) limits on the cross section for resonant HH production range from 0.18 to 0.90 (0.08 to 1.06) pb at 95% CL for new heavy-particle masses in the range 250–1000 GeV. 
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  2. 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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  3. A<sc>bstract</sc> A search for Higgs boson pair (HH) production in association with a vector boson V (W or Z boson) is presented. The search is based on proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV, collected with the CMS detector at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. Both hadronic and leptonic decays of V bosons are used. The leptons considered are electrons, muons, and neutrinos. The HH production is searched for in the$$ \textrm{b}\overline{\textrm{b}}\textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ b b ¯ b b ¯ decay channel. An observed (expected) upper limit at 95% confidence level of VHH production cross section is set at 294 (124) times the standard model prediction. Constraints are also set on the modifiers of the Higgs boson trilinear self-coupling,kλ, assumingk2V= 1, and vice versa on the coupling of two Higgs bosons with two vector bosons,k2V. The observed (expected) 95% confidence intervals of these coupling modifiers are−37.7 <kλ< 37.2 (−30.1 <kλ< 28.9) and−12.2 <k2V< 13.5 (−7.2 <k2V< 8.9), respectively. 
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  4. A bstract A search for physics beyond the standard model (SM) in final states with an electron or muon and missing transverse momentum is presented. The analysis uses data from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV, collected with the CMS detector at the LHC in 2016–2018 and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 . No significant deviation from the SM prediction is observed. Model-independent limits are set on the production cross section of W’ bosons decaying into lepton-plus-neutrino final states. Within the framework of the sequential standard model, with the combined results from the electron and muon decay channels a W’ boson with mass less than 5.7 TeV is excluded at 95% confidence level. Results on a SM precision test, the determination of the oblique electroweak W parameter, are presented using LHC data for the first time. These results together with those from the direct W’ resonance search are used to extend existing constraints on composite Higgs scenarios. This is the first experimental exclusion on compositeness parameters using results from LHC data other than Higgs boson measurements. 
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  5. A<sc>bstract</sc> A search for a new charged particle X with mass between 0.3 and 2.0 TeV decaying to a W boson and a photon is presented, using proton-proton collision data at a center-of-mass energy of 13 TeV, collected by the CMS experiment and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. Particle X has electric charge ±1 and is assumed to have spin 0. The search is performed using the electron and muon decays of the W boson. No significant excess above the predicted background is observed. The upper limit at 95% confidence level on the product of the production cross section of the X and its branching fraction to a W boson and a photon is found to be 94 (137) fb for a 0.3 TeV resonance and 0.75 (0.81) fb for a 2.0 TeV resonance, for an X width-to-mass ratio of 0.01% (5%). This search presents the most stringent constraints to date on the existence of such resonances across the probed mass range. A statistical combination with an earlier study based on the hadronic decay mode of the W boson is also performed, and the upper limit at 95% confidence level for a 2.0 TeV resonance is reduced to 0.50 (0.63) fb for an X width-to-mass ratio of 0.01% (5%). 
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