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  • Search for Dark Matter Produced in Association with a Dark Higgs Boson in the bb~ Final State Using pp Collisions at \sqrt{s} = 13 TeV with the ATLAS Detector

This content will become publicly available on March 1, 2026

Title: Search for Dark Matter Produced in Association with a Dark Higgs Boson in the bb~ Final State Using pp Collisions at \sqrt{s} = 13 TeV with the ATLAS Detector
A search is performed for dark matter particles produced in association with a resonantly produced pair of b-quarks with 30 < mbb < 150 GeV using 140 fb−1 of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. This signature is expected in extensions of the standard model predicting the production of dark matter particles, in particular those containing a dark Higgs boson s that decays into bb¯. The highly boosted s → bb¯ topology is reconstructed using jet reclustering and a new identification algorithm. This search places stringent constraints across regions of the dark Higgs model parameter space that satisfy the observed relic density, excluding dark Higgs bosons with masses between 30 and 150 GeV in benchmark scenarios with Z0 mediator masses up to 4.8 TeV at 95% confidence level.  more » « less
Award ID(s):
2110963
PAR ID:
10580542
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
American Physical Society
Date Published:
Journal Name:
Physical Review Letters
Volume:
134
Issue:
12
ISSN:
0031-9007
Page Range / eLocation ID:
121801
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for dark matter particles is performed using events with a pair of W bosons and large missing transverse momentum. Candidate events are selected by requiring one or two leptons (ℓ= electrons or muons). The analysis is based on proton-proton collision data collected at a center-of-mass energy of 13 TeV by the CMS experiment at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. No significant excess over the expected standard model background is observed in theℓνqq and 2ℓ2νfinal states of the W+W−boson pair. Limits are set on dark matter production in the context of a simplified dark Higgs model, with a dark Higgs boson mass above the W+W−mass threshold. The dark matter phase space is probed in the mass range 100–300 GeV, extending the scope of previous searches. Current exclusion limits are improved in the range of dark Higgs masses from 160 to 250 GeV, for a dark matter mass of 200 GeV. 
    more » « less
  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A bstract A direct search for Higgs bosons produced via vector-boson fusion and subsequently decaying into invisible particles is reported. The analysis uses 139 fb − 1 of pp collision data at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. The observed numbers of events are found to be in agreement with the background expectation from Standard Model processes. For a scalar Higgs boson with a mass of 125 GeV and a Standard Model production cross section, an observed upper limit of 0 . 145 is placed on the branching fraction of its decay into invisible particles at 95% confidence level, with an expected limit of 0 . 103. These results are interpreted in the context of models where the Higgs boson acts as a portal to dark matter, and limits are set on the scattering cross section of weakly interacting massive particles and nucleons. Invisible decays of additional scalar bosons with masses from 50 GeV to 2 TeV are also studied, and the derived upper limits on the cross section times branching fraction decrease with increasing mass from 1 . 0 pb for a scalar boson mass of 50 GeV to 0 . 1 pb at a mass of 2 TeV. 
    more » « less
  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A bstract A search for dark-matter particles in events with large missing transverse momentum and a Higgs boson candidate decaying into two photons is reported. The search uses 139 fb − 1 of proton-proton collision data collected at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ATLAS detector at the CERN LHC between 2015 and 2018. No significant excess of events over the Standard Model predictions is observed. The results are interpreted by extracting limits on three simplified models that include either vector or pseudoscalar mediators and predict a final state with a pair of dark-matter candidates and a Higgs boson decaying into two photons. 
    more » « less
  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    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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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    null (Ed.)
    A bstract A search for new phenomena with top quark pairs in final states with one isolated electron or muon, multiple jets, and large missing transverse momentum is performed. Signal regions are designed to search for two-, three-, and four-body decays of the directly pair-produced supersymmetric partner of the top quark (stop). Additional signal regions are designed specifically to search for spin-0 mediators that are produced in association with a pair of top quarks and decay into a pair of dark-matter particles. The search is performed using the Large Hadron Collider proton-proton collision dataset at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by the ATLAS detector from 2015 to 2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb − 1 . No significant excess above the Standard Model background is observed, and limits at 95% confidence level are set in the stop-neutralino mass plane and as a function of the mediator mass or the dark-matter particle mass. Stops are excluded up to 1200 GeV (710 GeV) in the two-body (three-body) decay scenario. In the four-body scenario stops up to 640 GeV are excluded for a stop-neutralino mass difference of 60 GeV. Scalar and pseudoscalar dark-matter mediators are excluded up to 200 GeV when the coupling strengths of the mediator to Standard Model and dark-matter particles are both equal to one and when the mass of the dark-matter particle is 1 GeV. 
    more » « less
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