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  • Search for dark photons from Higgs boson decays via ZH production with a photon plus missing transverse momentum signature from pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV with the ATLAS detector
Title: Search for dark photons from Higgs boson decays via ZH production with a photon plus missing transverse momentum signature from pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV with the ATLAS detector
A<sc>bstract</sc> This paper describes a search for dark photons (γd) in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV at the Large Hadron Collider (LHC). The dark photons are searched for in the decay of Higgs bosons (H→γγd) produced through theZHproduction mode. The transverse mass of the system, made of the photon and the missing transverse momentum from the non-interactingγd, presents a distinctive signature as it peaks near the Higgs boson mass. The results presented use the total Run-2 integrated luminosity of 139 fb−1recorded by the ATLAS detector at the LHC. The dominant reducible background processes are estimated using data-driven techniques. A Boosted Decision Tree technique is adopted to enhance the sensitivity of the search. As no excess is observed with respect to the Standard Model prediction, an observed (expected) upper limit on the branching ratio BR(H→γγd) of 2.28% ($$ {2.82}_{-0.84}^{+1.33}\% $$ 2.82 − 0.84 + 1.33 % ) is set at 95% CL for masslessγd. For massive dark photons up to 40 GeV, the observed (expected) upper limits on BR(H→γγd) at 95% confidence level is found within the [2.19,2.52]% ([2.71,3.11]%) range.  more » « less
Award ID(s):
2110374
PAR ID:
10612413
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Physical Review D
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2023
Issue:
7
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract The production cross section of inclusive isolated photons has been measured by the ALICE experiment at the CERN LHC in pp collisions at centre-of-momentum energy of$$\sqrt{s} =13$$ s = 13  TeV collected during the LHC Run 2 data-taking period. The measurement is performed by combining the measurements of the electromagnetic calorimeter EMCal and the central tracking detectors ITS and TPC, covering a pseudorapidity range of$$|\eta ^{\gamma }|<0.67$$ | η γ | < 0.67 and a transverse momentum range of$$7 7 < p T γ < 200 GeV/$$c$$ c . The result extends to lower$$p_\textrm{T}^{\gamma }$$ p T γ and$$x_\textrm{T}^{\gamma } = 2p_\textrm{T}^{\gamma }/\sqrt{s} $$ x T γ = 2 p T γ / s ranges, the lowest$$x_\textrm{T}^{\gamma }$$ x T γ of any isolated photon measurements to date, extending significantly those measured by the ATLAS and CMS experiments towards lower$$p_\textrm{T}^{\gamma }$$ p T γ at the same collision energy with a small overlap between the measurements. The measurement is compared with next-to-leading order perturbative QCD calculations and the results from the ATLAS and CMS experiments as well as with measurements at other collision energies. The measurement and theory prediction are in agreement with each other within the experimental and theoretical uncertainties. 
    more » « less
  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> ThepT-differential production cross sections of non-prompt D0, D+, and$$ {\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) $$ d σ / d y = 75.2 ± 3.2 stat . ± 5.2 syst . − 3.2 + 12.3 extrap . μb. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> Differential measurements of Higgs boson production in theτ-lepton-pair decay channel are presented in the gluon fusion, vector-boson fusion (VBF),VHand$$ 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}} $$ c H W ~ . 
    more » « less
  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    Abstract The ALICE Collaboration at the CERN LHC has measured the inclusive production cross section of isolated photons at midrapidity as a function of the photon transverse momentum ($$p_{\textrm{T}}^{\gamma }$$ p T γ ), in Pb–Pb collisions in different centrality intervals, and in pp collisions, at centre-of-momentum energy per nucleon pair of$$\sqrt{s_{\textrm{NN}}}~=~5.02$$ s NN = 5.02  TeV. The photon transverse momentum range is between 10–14 and 40–140 GeV/$$c$$ c , depending on the collision system and on the Pb–Pb centrality class. The result extends to lower$$p_{\textrm{T}}^{\gamma }$$ p T γ than previously published results by the ATLAS and CMS experiments at the same collision energy. The covered pseudorapidity range is$$|\eta ^{\gamma } | <0.67$$ | η γ | < 0.67 . The isolation selection is based on a charged particle isolation momentum threshold$$p_{\textrm{T}}^\mathrm{iso,~ch} = 1.5$$ p T iso , ch = 1.5  GeV/$$c$$ c within a cone of radii$$R=0.2$$ R = 0.2 and 0.4. The nuclear modification factor is calculated and found to be consistent with unity in all centrality classes, and also consistent with the HG-PYTHIA model, which describes the event selection and geometry biases that affect the centrality determination in peripheral Pb–Pb collisions. The measurement is compared to next-to-leading order perturbative QCD calculations and to the measurements of isolated photons and Z$$^{0}$$ 0 bosons from the CMS experiment, which are all found to be in agreement. 
    more » « less
  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> An analysis of the production of a Higgs boson (H) in association with a top quark-antiquark pair ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H ) or a single top quark (tH) is presented. The Higgs boson decay into a bottom quark-antiquark pair (H →$$ \textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ b b ¯ ) is targeted, and three different final states of the top quark decays are considered, defined by the number of leptons (electrons or muons) in the event. The analysis utilises proton-proton collision data collected at the CERN LHC with the CMS experiment at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV in 2016–2018, which correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1. The observed$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H production rate relative to the standard model expectation is 0.33 ± 0.26 = 0.33 ± 0.17(stat) ± 0.21(syst). Additionally, the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H production rate is determined in intervals of Higgs boson transverse momentum. An upper limit at 95% confidence level is set on the tH production rate of 14.6 times the standard model prediction, with an expectation of$$ {19.3}_{-6.0}^{+9.2} $$ 19.3 − 6.0 + 9.2 . Finally, constraints are derived on the strength and structure of the coupling between the Higgs boson and the top quark from simultaneous extraction of the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H and tH production rates, and the results are combined with those obtained in other Higgs boson decay channels. 
    more » « less
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