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Search for Higgs boson pair production in the two bottom quarks plus two photons final state in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

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2022

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Report No.: CERN-EP-2021-180; arXiv:2112.11876

Abstract: Searches are performed for nonresonant and resonant di-Higgs boson production in the $b\bar{b}γγ$ final state. The dataset used corresponds to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ of proton–proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. No excess above the expected background is found and upper limits on the di-Higgs boson production cross sections are set. A 95% confidence-level upper limit of 4.2 times the cross section predicted by the Standard Model is set on $pp→HH$ nonresonant production, where the expected limit is 5.7 times the Standard Model predicted value. The expected constraints are obtained for a background hypothesis excluding $pp→HH$ production. The observed (expected) constraints on the Higgs boson trilinear coupling modifier $κλ$ are determined to be [-1.5,6.7] ([-2.4,7.7]) at 95% confidence level, where the expected constraints on $κλ$ are obtained excluding $pp→HH$ production from the background hypothesis. For resonant production of a new hypothetical scalar particle $X (X → HH → b\bar{b}γγ)$, limits on the cross section for $pp→X→HH$ are presented in the narrow-width approximation as a function of mX in the range 251 GeV$≤mX≤$1000 GeV. The observed (expected) limits on the cross section for $pp→X→HH$ range from 640 fb to 44 fb (391 fb to 46 fb) over the considered mass range.

Keyword(s): p p: scattering ; p p: colliding beams ; Higgs particle: pair production ; resonance: production ; Higgs particle: decay modes ; Higgs particle: hadronic decay ; bottom: pair production ; bottom: 2 ; Higgs particle: radiative decay ; final state: two-photon ; Higgs particle: coupling ; background ; ATLAS ; CERN LHC Coll ; CERN Lab ; scalar particle ; coupling constant: upper limit ; channel cross section: upper limit ; experimental results ; 13000 GeV-cms

Classification:

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 2022
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