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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 2111244
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. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for dark matter (DM) particles produced in association with bottom quarks is presented. The analysis uses proton-proton collision data at a center-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The search is performed in a final state with large missing transverse momentum and a pair of jets originating from bottom quarks. No significant excess of data is observed with respect to the standard model expectation. Results are interpreted in the context of a type-II two-Higgs-doublet model with an additional light pseudoscalar (2HDM+a). An upper limit is set on the mass of the lighter pseudoscalar, probing masses up to 260 GeV at 95% confidence level. Sensitivity to the parameter space with the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs doublets, tanβ, greater than 15 is achieved, capitalizing on the enhancement of couplings between pseudoscalars and bottom quarks with high tanβ. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 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
  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 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
  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search is conducted for new phenomena in events with a top quark pair and large missing transverse momentum, where the top quark pair is reconstructed in final states with one isolated electron or muon and multiple jets. The search is performed using the Large Hadron Collider proton-proton collision data sample at a centre-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded by the ATLAS detector that corresponds to an integrated luminosity of 140 fb−1. An analysis based on neural network classifiers is optimised to search for directly produced pairs of supersymmetric partners of the top quark (stop), and to search for spin-0 mediators, produced in association with a pair of top quarks, that decay into dark-matter particles. In the stop search, the analysis is designed to target models in which the mass difference between the stop and the neutralino from the stop decay is close to the top quark mass. This new search is combined with previously published searches in final states with different lepton multiplicities. No significant excess above the Standard Model background is observed, and limits at 95% confidence level are set. Models with neutralinos with masses up to 570 GeV are excluded, while for small neutralino masses models are excluded for stop masses up to 1230 GeV. Scalar (pseudoscalar) dark matter mediator masses as large as 350 (370) GeV are excluded when the coupling strengths of the mediator to Standard Model and dark-matter particles are both set to one. At lower mediator masses, models with production cross-sections as small as 0.15 (0.16) times the nominal predictions are excluded. Results of this search are also used to set constraints on effective four-fermion contact interactions between top quarks and neutrinos. 
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