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Search for heavy resonances decaying to a pair of Lorentz-boosted Higgs bosons in final states with leptons and a bottom quark pair at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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2021

[10.3204/PUBDB-2021-05277]  GO

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Report No.: CERN-EP-2021-226; CMS-B2G-20-007; arXiv:2112.03161

Abstract: A search for new heavy resonances decaying to a pair of Higgs bosons (HH) in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is presented. Data were collected with the CMS detector at the LHC in 2016-2018, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Resonances with a mass between 0.8 and 4.5 TeV are considered using events in which one Higgs boson decays into a bottom quark pair and the other into final states with either one or two charged leptons. Specifically, the single-lepton decay channel HH $\to$$\mathrm{b\bar{b}}$WW$^*$$\to$$\mathrm{b\bar{b}}\ell\nu q\bar{q}'$ and the dilepton decay channels HH $\to$$\mathrm{b\bar{b}}$WW$^*$$\to$$\mathrm{b\bar{b}}\ell\nu \ell\nu$ and HH $\to$$\mathrm{b\bar{b}}\tau\tau$$\to$$\mathrm{b\bar{b}}\ell\nu\nu \ell\nu\nu$ are examined, where $\ell$ in the final state corresponds to an electron or muon. The signal is extracted using a two-dimensional maximum likelihood fit of the H $\to$$\mathrm{b\bar{b}}$ jet mass and HH invariant mass distributions. No significant excess above the standard model expectation is observed in data. Model-independent exclusion limits are placed on the product of the cross section and branching fraction for narrow spin-0 and spin-2 massive bosons decaying to HH. The results are also interpreted in the context of radion and bulk graviton production in models with a warped extra spatial dimension. The results provide the most stringent limits to date for X $\to$ HH signatures with final-state leptons and at some masses provide the most sensitive limits of all X $\to$ HH searches.

Keyword(s): resonance, heavy ; quark, pair ; boson, massive ; Higgs particle, decay ; dimension, 2 ; graviton, production ; dilepton, decay ; lepton, final state ; jet, mass ; p p, scattering ; TeV ; muon ; gravitation ; branching ratio ; electron ; CERN LHC Coll ; warped ; signature ; mass spectrum ; radion ; CMS


Note: Submitted to JHEP. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/B2G-20-007 (CMS Public Pages)
Contributing Institute(s):
  1. LHC/CMS Experiment (CMS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. HIDSS-0002 - DASHH: Data Science in Hamburg - Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter (2019_IVF-HIDSS-0002) (2019_IVF-HIDSS-0002)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

Appears in the scientific report 2021
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