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  • Search for dark matter produced in association with a Higgs boson decaying to a τ lepton pair in proton-proton collisions at $$\sqrt{s}=13$$ TeV
Title: Search for dark matter produced in association with a Higgs boson decaying to a τ lepton pair in proton-proton collisions at $$\sqrt{s}=13$$ TeV
A<sc>bstract</sc> A search for dark matter particles produced in association with a Higgs boson decaying into a pair ofτleptons is performed using data collected in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV with the CMS detector. The analysis is based on a data set corresponding to an integrated luminosity of 101 fb−1collected in 2017–2018. No significant excess over the expected standard model background is observed. This result is interpreted within the frameworks of the 2HDM+a and baryonic Z′benchmark simplified models. The 2HDM+a model is a type-II two-Higgs-doublet model featuring a heavy pseudoscalar with an additional light pseudoscalar. Upper limits at 95% confidence level are set on the product of the production cross section and the branching fraction for each of these two simplified models. Heavy pseudoscalar boson masses between 400 and 700 GeV are excluded for a light pseudoscalar mass of 100 GeV. For the baryonic Z′model, a statistical combination is made with an earlier search based on a data set of 36 fb−1collected in 2016. In this model, Z′boson masses up to 1050 GeV are excluded for a dark matter particle mass of 1 GeV.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10713075
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer Nature
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2025
Issue:
10
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 search is performed for dark matter produced in association with bottom quarks and a pair of electrons or muons in data collected with the CMS detector at the LHC, corresponding to 138 fb−1of integrated luminosity of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. For the first time at the LHC, the associated production of a bottom quark-antiquark pair and a new heavy neutral Higgs boson (H) that subsequently decays into a leptonically decaying Z boson and a pseudoscalar (a) is explored. The latter acts as a dark matter mediator in the context of the two Higgs doublet model plus a pseudoscalar (2HDM+a). Multivariate techniques that target a wide range of mass configurations for the H and a particles are used. The observations are consistent with the expectations from standard model processes. Upper limits at 95% confidence level are set on the product of cross section and branching fraction of the new particles, ranging from 10−2pb for an H mass of 400 GeV to 10−3pb for an H mass of 2000 GeV. Constraints on the parameter space of a benchmark 2HDM+a model are derived and compared with expectations in the context of cosmological predictions. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Physical Review D)
    A search for dark matter particles produced in association with a Higgs boson decaying to a bottom quark-antiquark pair in proton-proton collisions at s =13  TeV is presented. The data, collected with the CMS detector at the LHC, correspond to an integrated luminosity of 101  fb−1 . The analysis is performed in exclusive categories targeting both Lorentz-boosted (merged) and resolved b jet pair topologies, covering a wide range of Higgs boson transverse momentum. A statistical combination is made with a previous search using data collected in 2016 and corresponding to an integrated luminosity of 35.9  fb−1 . The observed data agree with the standard model background predictions. Constraints are placed on models predicting new particles or interactions, such as those in the simplified frameworks of baryonic- Z′ and 2HDM+a , where the latter is a type-II two-Higgs-doublet model featuring a heavy pseudoscalar with an additional light pseudoscalar. Upper limits at 95% confidence level are set on the production cross section for these models. For the baryonic- Z′ model, Z′ boson masses below 2.25 TeV are excluded for a dark matter particle candidate mass of 1 GeV. In the 2HDM+a model, heavy pseudoscalar masses between 850 and 1300 GeV are excluded for a light pseudoscalar mass of 350 GeV. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 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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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> An inclusive search for long-lived exotic particles decaying to a pair of muons is presented. The search uses data collected by the CMS experiment at the CERN LHC in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV in 2016 and 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 97.6 fb−1. The experimental signature is a pair of oppositely charged muons originating from a common secondary vertex spatially separated from the pp interaction point by distances ranging from several hundredμm to several meters. The results are interpreted in the frameworks of the hidden Abelian Higgs model, in which the Higgs boson decays to a pair of long-lived dark photons ZD, and of a simplified model, in which long-lived particles are produced in decays of an exotic heavy neutral scalar boson. For the hidden Abelian Higgs model withm(ZD) greater than 20 GeV and less than half the mass of the Higgs boson, they provide the best limits to date on the branching fraction of the Higgs boson to dark photons forcτ(ZD) (varying withm(ZD)) between 0.03 and ≈0.5 mm, and above ≈0.5 m. Our results also yield the best constraints on long-lived particles with masses larger than 10 GeV produced in decays of an exotic scalar boson heavier than the Higgs boson and decaying to a pair of muons. 
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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 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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