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  • NSF Public Access
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  • Search for light long-lived neutral particles from Higgs boson decays via vector-boson-fusion production from pp collisions at $$\sqrt{s}=13$$ TeV with the ATLAS detector
Title: Search for light long-lived neutral particles from Higgs boson decays via vector-boson-fusion production from pp collisions at $$\sqrt{s}=13$$ TeV with the ATLAS detector
Abstract A search is reported for long-lived dark photons with masses between 0.1 GeV and 15 GeV, from exotic decays of Higgs bosons produced via vector-boson-fusion. Events that contain displaced collimated Standard Model fermions reconstructed in the calorimeter or muon spectrometer are probed. This search uses the full LHC Run 2 (2015–2018) data sample collected in proton–proton collisions at$$\sqrt{s}=13$$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 139$$fb^{-1}$$ f b - 1 . Dominant backgrounds from Standard Model processes and non-collision sources are estimated using data-driven techniques. The observed event yields in the signal regions are consistent with the expected background. Upper limits on the Higgs boson to dark photon branching fraction are reported as a function of the dark photon mean proper decay length or of the dark photon mass and the coupling between the Standard Model and the potential dark sector. This search is combined with previous ATLAS searches obtained in the gluon–gluon fusion andWHproduction modes. A branching fraction above 10% is excluded at 95% CL for a 125 GeV Higgs boson decaying into two dark photons for dark photon mean proper decay lengths between 173 and 1296 mm and mass of 10 GeV.  more » « less
Award ID(s):
2111244
PAR ID:
10609023
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
84
Issue:
7
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Physical Review D)
    A search for long-lived particles (LLPs) decaying in the CMS muon detectors is presented. A data sample of proton-proton collisions at s = 13     TeV corresponding to an integrated luminosity of 138     fb − 1 , recorded at the LHC in 2016–2018, is used. The decays of LLPs are reconstructed as high multiplicity clusters of hits in the muon detectors. In the context of twin Higgs models, the search is sensitive to LLP masses from 0.4 to 55 GeV and a broad range of LLP decay modes, including decays to hadrons, τ leptons, electrons, or photons. No excess of events above the standard model background is observed. The most stringent limits to date from LHC data are set on the branching fraction of the Higgs boson decay to a pair of LLPs with masses below 10 GeV. This search also provides the best limits for various intervals of LLP proper decay length and mass. Finally, this search sets the first limits at the LHC on a dark quantum chromodynamic sector whose particles couple to the Higgs boson through gluon, Higgs boson, photon, vector, and dark-photon portals, and is sensitive to branching fractions of the Higgs boson to dark quarks as low as 2 × 10 − 3 . © 2024 CERN, for the CMS Collaboration2024CERN 
    more » « less
  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract Measurements of Higgs boson production, where the Higgs boson decays into a pair of$$\uptau $$ τ leptons, are presented, using a sample of proton-proton collisions collected with the CMS experiment at a center-of-mass energy of Equation missing<#comment/>, corresponding to an integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . Three analyses are presented. Two are targeting Higgs boson production via gluon fusion and vector boson fusion: a neural network based analysis and an analysis based on an event categorization optimized on the ratio of signal over background events. These are complemented by an analysis targeting vector boson associated Higgs boson production. Results are presented in the form of signal strengths relative to the standard model predictions and products of cross sections and branching fraction to$$\uptau $$ τ leptons, in up to 16 different kinematic regions. For the simultaneous measurements of the neural network based analysis and the analysis targeting vector boson associated Higgs boson production signal strengths are found to be$$0.82\pm 0.11$$ 0.82 ± 0.11 for inclusive Higgs boson production,$$0.67\pm 0.19$$ 0.67 ± 0.19 ($$0.81\pm 0.17$$ 0.81 ± 0.17 ) for the production mainly via gluon fusion (vector boson fusion), and$$1.79\pm 0.45$$ 1.79 ± 0.45 for vector boson associated Higgs boson production. 
    more » « less
  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract This paper reports a search for Higgs boson pair (hh) production in association with a vector boson ($$W\; {\text {o}r}\; Z$$ W o r Z ) using 139 fb$$^{-1}$$ - 1 of proton–proton collision data at$$\sqrt{s}=13\,\text {TeV}$$ s = 13 TeV recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search is performed in final states in which the vector boson decays leptonically ($$W\rightarrow \ell \nu ,\, Z\rightarrow \ell \ell ,\nu \nu $$ W → ℓ ν , Z → ℓ ℓ , ν ν with$$\ell =e, \mu $$ ℓ = e , μ ) and the Higgs bosons each decay into a pair ofb-quarks. It targetsVhhsignals from both non-resonanthhproduction, present in the Standard Model (SM), and resonanthhproduction, as predicted in some SM extensions. A 95% confidence-level upper limit of 183 (87) times the SM cross-section is observed (expected) for non-resonantVhhproduction when assuming the kinematics are as expected in the SM. Constraints are also placed on Higgs boson coupling modifiers. For the resonant search, upper limits on the production cross-sections are derived for two specific models: one is the production of a vector boson along with a neutral heavy scalar resonanceH, in the mass range 260–1000 GeV, that decays intohh, and the other is the production of a heavier neutral pseudoscalar resonanceAthat decays into aZboson andHboson, where theAboson mass is 360–800 GeV and theHboson mass is 260–400 GeV. Constraints are also derived in the parameter space of two-Higgs-doublet models. 
    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. 
    more » « less
  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 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
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