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Office of Scientific and Technical Information

Title: Search for light long-lived neutral particles that decay to collimated pairs of leptons or light hadrons in $pp$ collisions at $$\sqrt{s}$$ = 13 TeV with the ATLAS detector

Journal Article · · Journal of High Energy Physics (Online)
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  1. Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Marseille (France). Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM), Institut National de Physique Nucleaire et de Physique des Particules (IN2P3); Aix-Marseille Université (France); The ATLAS Collaboration. et al.

A search for light long-lived neutral particles with masses in the O(MeV–GeV) range is presented. The analysis targets the production of long-lived dark photons in the decay of a Higgs boson produced via gluon–gluon fusion or in association with a W boson. Events that contain displaced collimated Standard Model fermions reconstructed in the calorimeter or muon spectrometer are selected in 139 fb-1 of $$\sqrt{s}$$ = 13 TeV $pp$ collision data collected by the ATLAS detector at the LHC. Background estimates for contributions from Standard Model processes and instrumental effects are extracted from data. The observed event yields are consistent with the expected background. Exclusion limits are reported on the production cross-section times branching fraction as a function of the mean proper decay length cτ of the dark photon, or as a function of the dark-photon mass and kinetic mixing parameter that quantifies the coupling between the Standard Model and potential hidden (dark) sectors. A Higgs boson branching fraction above 1% is excluded at 95% CL for a Higgs boson decaying into two dark photons for dark-photon mean proper decay lengths between 10 mm and 250 mm and dark photons with masses between 0.4 GeV and 2 GeV.

Research Organization:
Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Berkeley, CA (United States)
Sponsoring Organization:
USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP)
Contributing Organization:
The ATLAS Collaboration
Grant/Contract Number:
AC02-05CH11231
OSTI ID:
2282086
Journal Information:
Journal of High Energy Physics (Online), Vol. 2023, Issue 6; ISSN 1029-8479
Publisher:
Springer NatureCopyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (47)

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Supernova constraints on MeV dark sectors from e + e annihilations journal May 2014
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The automated computation of tree-level and next-to-leading order differential cross sections, and their matching to parton shower simulations journal July 2014
FastJet user manual: (for version 3.0.2) journal March 2012
Parton distributions with LHC data journal February 2013
Parton distributions for the LHC run II journal April 2015
Non-abelian dark sectors and their collider signatures journal April 2009
Illuminating dark photons with high-energy colliders journal February 2015
Constraints on sub-GeV hidden sector gauge bosons from a search for heavy neutrino decays journal July 2012
Triggers for displaced decays of long-lived neutral particles in the ATLAS detector journal July 2013
New exclusion limits on dark gauge forces from proton Bremsstrahlung in beam-dump data journal April 2014
Hidden Higgs decaying to lepton jets journal May 2010
Discovering Higgs Boson Decays to Lepton Jets at Hadron Colliders journal December 2010
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Event generation with SHERPA 1.1 journal February 2009
Monitoring and data quality assessment of the ATLAS liquid argon calorimeter journal July 2014
Handbook of LHC Higgs cross sections: 4. Deciphering the nature of the Higgs sector text May 2017
The new LUCID-2 detector for luminosity measurement and monitoring in ATLAS journal July 2018
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Discovering new light states at neutrino experiments journal December 2010
LHC Machine journal August 2008
New exclusion limits for dark gauge forces from beam-dump data journal July 2011
Matching NLO QCD computations with parton shower simulations: the POWHEG method journal November 2007
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Search for short-lived particles produced in an electron beam dump journal November 1991
Better jet clustering algorithms journal August 1997
Exotic Higgs decays in the golden channel journal December 2014