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  • Differential cross-section measurements of Higgs boson production in the H → τ+τ− decay channel in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV with the ATLAS detector

This content will become publicly available on March 1, 2026

Title: Differential cross-section measurements of Higgs boson production in the H → τ+τ− decay channel in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV with the ATLAS detector
A<sc>bstract</sc> Differential measurements of Higgs boson production in theτ-lepton-pair decay channel are presented in the gluon fusion, vector-boson fusion (VBF),VHand$$ t\overline{t}H $$ t t ¯ H associated production modes, with particular focus on the VBF production mode. The data used to perform the measurements correspond to 140 fb−1of proton-proton collisions collected by the ATLAS experiment at the LHC. Two methods are used to perform the measurements: theSimplified Template Cross-Section(STXS) approach and anUnfolded Fiducial Differentialmeasurement considering only the VBF phase space. For the STXS measurement, events are categorized by their production mode and kinematic properties such as the Higgs boson’s transverse momentum ($$ {p}_{\textrm{T}}^{\textrm{H}} $$ p T H ), the number of jets produced in association with the Higgs boson, or the invariant mass of the two leading jets (mjj). For the VBF production mode, the ratio of the measured cross-section to the Standard Model prediction formjj> 1.5 TeV and$$ {p}_{\textrm{T}}^{\textrm{H}} $$ p T H > 200 GeV ($$ {p}_{\textrm{T}}^{\textrm{H}} $$ p T H < 200 GeV) is$$ {1.29}_{-0.34}^{+0.39} $$ 1.29 − 0.34 + 0.39 ($$ {0.12}_{-0.33}^{+0.34} $$ 0.12 − 0.33 + 0.34 ). This is the first VBF measurement for the higher-$$ {p}_{\textrm{T}}^{\textrm{H}} $$ p T H criteria, and the most precise for the lower-$$ {p}_{\textrm{T}}^{\textrm{H}} $$ p T H criteria. Thefiducialcross-section measurements, which only consider the kinematic properties of the event, are performed as functions of variables characterizing the VBF topology, such as the signed ∆ϕjjbetween the two leading jets. The measurements have a precision of 30%–50% and agree well with the Standard Model predictions. These results are interpreted in the SMEFT framework, and place the strongest constraints to date on the CP-odd Wilson coefficient$$ {c}_{H\overset{\sim }{W}} $$ c H W ~ .  more » « less
Award ID(s):
2208829
PAR ID:
10599358
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
JHEP
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2025
Issue:
3
ISSN:
1029-8479
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 measurement of the Higgs boson (H) production via vector boson fusion (VBF) and its decay into a bottom quark-antiquark pair ($$ \textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ b b ¯ ) is presented using proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 90.8 fb−1. Treating the gluon-gluon fusion process as a background and constraining its rate to the value expected in the standard model (SM) within uncertainties, the signal strength of the VBF process, defined as the ratio of the observed signal rate to that predicted by the SM, is measured to be$$ {\mu}_{\textrm{Hb}\overline{\textrm{b}}}^{\textrm{qqh}}={1.01}_{-0.46}^{+0.55} $$ μ Hb b ¯ qqh = 1.01 − 0.46 + 0.55 . The VBF signal is observed with a significance of 2.4 standard deviations relative to the background prediction, while the expected significance is 2.7 standard deviations. Considering inclusive Higgs boson production and decay into bottom quarks, the signal strength is measured to be$$ {\mu}_{\textrm{Hb}\overline{\textrm{b}}}^{\textrm{incl}.}={0.99}_{-0.41}^{+0.48} $$ μ Hb b ¯ incl . = 0.99 − 0.41 + 0.48 , corresponding to an observed (expected) significance of 2.6 (2.9) standard deviations. 
    more » « less
  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> Measurements of inclusive and normalized differential cross sections of the associated production of top quark-antiquark and bottom quark-antiquark pairs,$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ t t ¯ b b ¯ , are presented. The results are based on data from proton-proton collisions collected by the CMS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The cross sections are measured in the lepton+jets decay channel of the top quark pair, using events containing exactly one isolated electron or muon and at least five jets. Measurements are made in four fiducial phase space regions, targeting different aspects of the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ t t ¯ b b ¯ process. Distributions are unfolded to the particle level through maximum likelihood fits, and compared with predictions from several event generators. The inclusive cross section measurements of this process in the fiducial phase space regions are the most precise to date. In most cases, the measured inclusive cross sections exceed the predictions with the chosen generator settings. The only exception is when using a particular choice of dynamic renormalization scale,$$ {\mu}_{\textrm{R}}=\frac{1}{2}{\prod}_{i=\textrm{t},\overline{\textrm{t}},\textrm{b},\overline{\textrm{b}}}{m}_{\textrm{T},i}^{1/4} $$ μ R = 1 2 ∏ i = t , t ¯ , b , b ¯ m T , i 1 / 4 , where$$ {m}_{\textrm{T},i}^2={m}_i^2+{p}_{\textrm{T},i}^2 $$ m T , i 2 = m i 2 + p T , i 2 are the transverse masses of top and bottom quarks. The differential cross sections show varying degrees of compatibility with the theoretical predictions, and none of the tested generators with the chosen settings simultaneously describe all the measured distributions. 
    more » « less
  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> The charge-parity (CP) structure of the Yukawa interaction between the Higgs (H) boson and the top quark is measured in a data sample enriched in the t$$ \overline{\textrm{t}} $$ t ¯ H and tH associated production, using 138 fb−1of data collected in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV by the CMS experiment at the CERN LHC. The study targets events where the H boson decays via H → WW or H →ττand the top quarks decay via t → Wb: the W bosons decay either leptonically or hadronically, and final states characterized by the presence of at least two leptons are studied. Machine learning techniques are applied to these final states to enhance the separation ofCP-even fromCP-odd scenarios. Two-dimensional confidence regions are set onκtand$$ \overset{\sim }{\kappa } $$ κ ~ t, which are respectively defined as theCP-even andCP-odd top-Higgs Yukawa coupling modifiers. No significant fractionalCP-odd contributions, parameterized by the quantity|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt |are observed; the parameter is determined to be|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt |= 0.59 with an interval of (0.24,0.81) at 68% confidence level. The results are combined with previous results covering the H→ZZ and H→ γγdecay modes, yielding two- and one-dimensional confidence regions onκtand$$ \overset{\sim }{\kappa } $$ κ ~ t, while|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt |is determined to be|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt |= 0.28 with an interval of|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt | <0.55 at 68% confidence level, in agreement with the standard modelCP-even prediction of|$$ {f}_{CP}^{\textrm{Htt}} $$ f CP Htt |= 0. 
    more » « less
  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> Measurements of the production cross sections of prompt D0, D+, D*+,$$ {\textrm{D}}_{\textrm{s}}^{+} $$ D s + ,$$ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $$ Λ c + , and$$ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $$ Ξ c + charm hadrons at midrapidity in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ALICE detector are presented. The D-meson cross sections as a function of transverse momentum (pT) are provided with improved precision and granularity. The ratios ofpT-differential meson production cross sections based on this publication and on measurements at different rapidity and collision energy provide a constraint on gluon parton distribution functions at low values of Bjorken-x(10−5–10−4). The measurements of$$ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $$ Λ c + ($$ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $$ Ξ c + ) baryon production extend the measuredpTintervals down topT= 0(3) GeV/c. These measurements are used to determine the charm-quark fragmentation fractions and the$$ \textrm{c}\overline{\textrm{c}} $$ c c ¯ production cross section at midrapidity (|y|<0.5) based on the sum of the cross sections of the weakly-decaying ground-state charm hadrons D0, D+,$$ {\textrm{D}}_{\textrm{s}}^{+} $$ D s + ,$$ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $$ Λ c + ,$$ {\Xi}_{\textrm{c}}^0 $$ Ξ c 0 and, for the first time,$$ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $$ Ξ c + , and of the strongly-decaying J/ψmesons. The first measurements of$$ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $$ Ξ c + and$$ {\Sigma}_{\textrm{c}}^{0,++} $$ Σ c 0 , + + fragmentation fractions at midrapidity are also reported. A significantly larger fraction of charm quarks hadronising to baryons is found compared to e+e−and ep collisions. The$$ \textrm{c}\overline{\textrm{c}} $$ c c ¯ production cross section at midrapidity is found to be at the upper bound of state-of-the-art perturbative QCD calculations. 
    more » « less
  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> ThepT-differential production cross sections of non-prompt D0, D+, and$$ {\textrm{D}}_{\textrm{s}}^{+} $$ D s + mesons originating from beauty-hadron decays are measured in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The measurements are performed at midrapidity, |y|<0.5, with the data sample collected by ALICE from 2016 to 2018. The results are in agreement with predictions from several perturbative QCD calculations. The fragmentation fraction of beauty quarks to strange mesons divided by the one to non-strange mesons,fs/(fu+fd), is found to be 0.114 ± 0.016 (stat.) ± 0.006 (syst.) ± 0.003 (BR) ± 0.003 (extrap.). This value is compatible with previous measurements at lower centre-of-mass energies and in different collision systems in agreement with the assumption of universality of fragmentation functions. In addition, the dependence of the non-prompt D meson production on the centre-of-mass energy is investigated by comparing the results obtained at$$ \sqrt{s} $$ s = 5.02 and 13 TeV, showing a hardening of the non-prompt D-mesonpT-differential production cross section at higher$$ \sqrt{s} $$ s . Finally, the$$ \textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ b b ¯ production cross section per unit of rapidity at midrapidity is calculated from the non-prompt D0, D+,$$ {\textrm{D}}_{\textrm{s}}^{+} $$ D s + , and$$ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $$ Λ c + hadron measurements, obtaining$$ \textrm{d}\sigma /\textrm{d}y=75.2\pm 3.2\left(\textrm{stat}.\right)\pm 5.2{\left(\textrm{syst}.\right)}_{-3.2}^{+12.3}\left(\textrm{extrap}.\right) $$ d σ / d y = 75.2 ± 3.2 stat . ± 5.2 syst . − 3.2 + 12.3 extrap . μb. 
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