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Title: Search for a light pseudoscalar Higgs boson in the boosted $μμττ$ final state in proton-proton collisions at $$\sqrt{s}$$ = 13 TeV

Journal Article · · Journal of High Energy Physics (Online)
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A search for a light pseudoscalar Higgs boson (a) decaying from the 125 GeV (or a heavier) scalar Higgs boson (H) is performed using the 2016 LHC proton-proton collision data at $$\sqrt{s}=$$ 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb$$^{-1}$$, collected by the CMS experiment. The analysis considers gluon fusion and vector boson fusion production of the H, followed by the decay H $$\to$$ aa $$\to$$ $$\mu\mu\tau\tau$$, and considers pseudoscalar masses in the range 3.6 $$\lt m_\mathrm{a}\lt$$ 21 GeV. Because of the large mass difference between the H and the a bosons and the small masses of the a boson decay products, both the $$\mu\mu$$ and the $$\tau\tau$$ pairs have high Lorentz boost and are collimated. The $$\tau\tau$$ reconstruction efficiency is increased by modifying the standard technique for hadronic $$\tau$$ lepton decay reconstruction to account for a nearby muon. No significant signal is observed. Model-independent limits are set at 95% confidence level, as a function of $$m_\mathrm{a}$$, on the branching fraction ($$\mathcal{B}$$) for H $$\to$$ aa $$\to$$ $$\mu\mu\tau\tau$$, down to 1.5 (2.0)$$\times10^{-4}$$ for $$m_\mathrm{H}=$$ 125 (300) GeV. Model-dependent limits on $$\mathcal{B}$$(H $$\to$$ aa) are set within the context of two Higgs doublets plus singlet models, with the most stringent results obtained for Type-III models. These results extend current LHC searches for heavier a bosons that decay to resolved lepton pairs and provide the first such bounds for an H boson with a mass above 125 GeV.

Research Organization:
Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL), Batavia, IL (United States); Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Livermore, CA (United States); Florida State Univ., Tallahassee, FL (United States); Univ. of Colorado, Boulder, CO (United States)
Sponsoring Organization:
USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP); National Science Foundation (NSF); Kavli Foundation; Nvidia Corporation; SuperMicro Corporation; Welch Foundation; Weston Havens Foundation; USDOE Office of Science (SC), Fusion Energy Sciences (FES)
Contributing Organization:
CMS Collaboration
Grant/Contract Number:
AC02-07CH11359; C-1845; SC0019292; SC0010005
OSTI ID:
1630718
Alternate ID(s):
OSTI ID: 1657329; OSTI ID: 1721766
Report Number(s):
FERMILAB-PUB-20-209-CMS; arXiv:2005.08694; CMS-HIG-18-024; CERN-EP-2020-061; oai:inspirehep.net:1796729; TRN: US2200686
Journal Information:
Journal of High Energy Physics (Online), Vol. 2020, Issue 8; ISSN 1029-8479
Publisher:
Springer BerlinCopyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (38)

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The Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model journal November 2010
Escaping the Large Fine-Tuning and Little Hierarchy Problems in the Next to Minimal Supersymmetric Model and h a a Decays journal July 2005
Next-to-minimal supersymmetric model close to the R -symmetry limit and naturalness in h a a decays for m a < 2 m b journal April 2007
Erratum: carving out parameter space in type-II two Higgs doublets model journal September 2013
Heavy Higgs searches and constraints on two Higgs doublet models journal July 2013
A light Higgs scalar in the NMSSM confronted with the latest LHC Higgs data journal November 2013
Analysis of the Higgs potentials for two doublets and a singlet journal December 2012
Decay-mode independent searches for new scalar bosons with the OPAL detector at LEP journal April 2003
Discovery prospects for NMSSM Higgs bosons at the high-energy Large Hadron Collider journal November 2014
Direct production of a light C P -odd Higgs boson at the Tevatron and LHC journal March 2010
Light Higgs bosons in two-Higgs-doublet models journal April 2015
The automated computation of tree-level and next-to-leading order differential cross sections, and their matching to parton shower simulations journal July 2014
Parton distributions from high-precision collider data: NNPDF Collaboration journal October 2017
The anti- k t jet clustering algorithm journal April 2008
FastJet user manual: (for version 3.0.2) journal March 2012
Confidence level computation for combining searches with small statistics journal September 1999
Constraining type II 2HDM in light of LHC Higgs searches journal January 2014
Higgs phenomenology in the two-singlet model journal February 2014
Collider constraints on light pseudoscalars journal March 2018
Benchmarks for Higgs boson pair production and heavy Higgs boson searches in the two-Higgs-doublet model of type II journal July 2014
Constraints on and future prospects for two-Higgs-doublet models in light of the LHC Higgs signal journal August 2014
Direct production of a light CP-odd Higgs boson at the Tevatron and LHC text January 2009
Analysis of the Higgs potentials for two doublets and a singlet text January 2012
Light Higgs bosons in Two-Higgs-Doublet Models text January 2014