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Observation of electroweak production of two jets in association with an isolated photon and missing transverse momentum, and search for a Higgs boson decaying into invisible particles at 13 TeV with the ATLAS detector

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2021

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Report No.: arXiv:2109.00925

Abstract: This paper presents the measurement of the electroweak production of two jets in association with a $Z\gamma$ pair with the $Z$ boson decaying into two neutrinos. It also presents the search for invisible or partially invisible decays of a Higgs boson with a mass of 125 GeV produced through vector-boson fusion with a photon in the final state. These results use data from LHC proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected with the ATLAS detector corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The event signature, shared by all benchmark processes considered for measurements and searches, is characterized by a significant amount of unbalanced transverse momentum and a photon in the final state, in addition to a pair of forward jets. For electroweak production of $Z\gamma$ in association with two jets, the background-only hypothesis is rejected with an observed (expected) significance of 5.2 (5.1) standard deviations. The measured fiducial cross-section for this process is 1.31$\pm$0.29 fb. Observed (expected) upper limit of 0.37 (0.34) at 95% confidence level is set on the branching ratio of a 125 GeV Higgs boson to invisible particles, assuming the Standard Model production cross-section. The signature is also interpreted in the context of decays of a Higgs boson to a photon and a dark photon. An observed (expected) 95% CL upper limit on the branching ratio for this decay is set at 0.018 (0.017), assuming the 125 GeV Standard Model Higgs boson production cross-section.

Keyword(s): p p: colliding beams ; jet: pair production ; Z0: associated production ; Z0: invisible decay ; Z0: leptonic decay ; neutrino: pair production ; Higgs particle: branching ratio ; transverse momentum: missing-energy ; Higgs particle: invisible decay ; vector boson: fusion ; Higgs particle: hadroproduction ; Higgs particle: mass ; p p: scattering ; photon: associated production ; electroweak interaction ; branching ratio: upper limit ; photon: hidden sector ; decay: exotic ; signature ; ATLAS ; benchmark ; channel cross section: measured ; CERN LHC Coll ; experimental results ; 13000 GeV-cms


Note: 58 pages in total, author list starting page 42, 9 figures, 7 tables, submitted to EPJC. All figures including auxiliary figures are available at https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/EXOT-2021-17/

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2021
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