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U.S. Department of Energy
Office of Scientific and Technical Information

Search for Higgs boson exotic decays into Lorentz-boosted light bosons in the four-τ final state at $$\sqrt{s}$$ = 13 with the ATLAS detector

Journal Article · · Physics Letters. B
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A search for exotic decays of the Higgs boson into a pair of low-mass scalars that subsequently decay into τ-leptons, H → aa → τ+ττ+τ, is presented. In models with Yukawa-like couplings, the decay to τ-leptons is favoured for light a-bosons, with mass in the range of 2mτ < ma < 2mb. Results are presented in the range of 4 GeV < ma < 15 GeV using the 140 fb–1 of proton–proton collisions at $$\sqrt{s}$$ = 13 TeV recorded with the ATLAS detector during Run 2 of the Large Hadron Collider. This search focuses on the scenario where, for both di-τ pairs, one of the τ-leptons decays to hadrons and neutrinos, while the other decays to a muon and neutrinos. In this mass range, the a → τ+τ is Lorentz-boosted and a dedicated muon removal technique is used to reconstruct the di-τ pairs.
Research Organization:
Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), Berkeley, CA (United States); University of Colorado, Boulder, CO (United States)
Sponsoring Organization:
Agencia Estatal de Investigación; Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo; Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica; Australian Research Council; Austrian Science Fund; Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft; CERN; Canada Foundation for Innovation; Center for Advancing Research Impact in Society; Center for African Studies; Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique; Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico; Danmarks Grundforskningsfond; Defence Science Institute; Duchenne Research Fund; Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo; Fundação para a Ciência e a Tecnologia; Georgia Health Initiative; Institutul de Fizică Atomică; Irish Rugby Football Union; Israel Academy of Sciences and Humanities; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; Japan Society for the Promotion of Science; Marcus och Amalia Wallenbergs minnesfond; Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades; Ministerstvo Školství, Mládeže a Tělovýchovy; Ministerstwo Edukacji i Nauki; Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology; Ministry of Science and Technology of the People's Republic of China; Multiple Sclerosis Scientific Research Foundation; National Natural Science Foundation of China; National Research Council Canada; National Research Foundation; National Science Foundation; National Science and Technology Council; Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada; Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek; Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung; Science and Technology Facilities Council; Spine Education and Research Institute; U.S. Department of Energy; UK Research and Innovation; USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP); USDOE Office of Science (SC), Nuclear Physics (NP)
Contributing Organization:
The ATLAS Collaboration
Grant/Contract Number:
AC02-05CH11231; AC02-76SF00515; FG02-03ER41244
OSTI ID:
3020358
Alternate ID(s):
OSTI ID: 3019475
Journal Information:
Physics Letters. B, Journal Name: Physics Letters. B Vol. 870; ISSN 0370-2693
Publisher:
ElsevierCopyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (49)

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QCD matrix elements + parton showers. The NLO case journal April 2013
Merging H/W/Z + 0 and 1 jet at NLO with no merging scale: a path to parton shower + NNLO matching journal May 2013
Finite quark-mass effects in the NNLOPS POWHEG+MiNLO Higgs generator journal May 2015
A general framework for implementing NLO calculations in shower Monte Carlo programs: the POWHEG BOX journal June 2010
Naturalness in the dark at the LHC journal July 2015
MINLO: multi-scale improved NLO journal October 2012
NNLOPS simulation of Higgs boson production journal October 2013
Scalar Phantoms journal October 1985
Geant4—a simulation toolkit
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A brief introduction to PYTHIA 8.1 journal June 2008
An introduction to PYTHIA 8.2 journal June 2015
Transverse-momentum resummation and the spectrum of the Higgs boson at the LHC journal March 2006
Parton distributions with LHC data journal February 2013
Echoes of a hidden valley at hadron colliders journal August 2007
Secluded WIMP dark matter journal April 2008
Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC journal September 2012
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Search for an exotic decay of the Higgs boson to a pair of light pseudoscalars in the final state with two muons and two b quarks in pp collisions at 13 TeV journal August 2019
A portrait of the Higgs boson by the CMS experiment ten years after the discovery journal July 2022
A detailed map of Higgs boson interactions by the ATLAS experiment ten years after the discovery journal July 2022
Presentation of search results: the CL s technique journal September 2002
PDF4LHC recommendations for LHC Run II journal January 2016
Light axion within the next-to-minimal supersymmetric standard model journal September 2000
A New Method for Combining NLO QCD with Shower Monte Carlo Algorithms journal November 2004
Matching NLO QCD computations with parton shower simulations: the POWHEG method journal November 2007
A parton shower algorithm based on Catani-Seymour dipole factorisation journal March 2008
The anti- k t jet clustering algorithm journal April 2008
The new LUCID-2 detector for luminosity measurement and monitoring in ATLAS journal July 2018
LHC Machine journal August 2008
Exotic Higgs boson decays and the electroweak phase transition journal June 2020
Minimal spontaneously broken hidden sector and its impact on Higgs boson physics at the CERN Large Hadron Collider journal November 2005
New parton distributions for collider physics journal October 2010
Exotic decays of the 125 GeV Higgs boson journal October 2014
Dark Light-Higgs Bosons journal March 2011
The ATLAS Simulation Infrastructure journal September 2010
Asymptotic formulae for likelihood-based tests of new physics journal February 2011
FastJet user manual: (for version 3.0.2) journal March 2012
Reweighting QCD matrix-element and parton-shower calculations journal October 2016
Performance of the ATLAS trigger system in 2015 journal May 2017
Topological cell clustering in the ATLAS calorimeters and its performance in LHC Run 1 journal July 2017
Muon reconstruction and identification efficiency in ATLAS using the full Run 2 pp collision data set at $$\sqrt{s}=13$$ TeV journal July 2021
Search for low-mass dilepton resonances in Higgs boson decays to four-lepton final states in proton–proton collisions at $$\sqrt{s}=13\,\text {TeV} $$ journal April 2022
Luminosity determination in pp collisions at $$\sqrt{s}=13$$ TeV using the ATLAS detector at the LHC journal October 2023
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Search for short- and long-lived axion-like particles in $$H\rightarrow a a \rightarrow 4\gamma $$ decays with the ATLAS experiment at the LHC journal July 2024
Event generation with Sherpa 2.2 journal January 2019
Handbook of LHC Higgs Cross Sections: 4. Deciphering the Nature of the Higgs Sector report October 2016

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