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Journal Article PUBDB-2024-05318
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Search for exotic decays of the Higgs boson to a pair of pseudoscalars in the $\mu\mu$bb and $\tau\tau$bb final states

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2024
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The European physical journal / C 84(5), 493 () [10.1140/epjc/s10052-024-12727-4]
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Report No.: CERN-EP-2023-284; CMS-HIG-22-007; arXiv:2402.13358

Abstract: A search for exotic decays of the Higgs boson (H) with a mass of 125 GeV to a pair of light pseudoscalars $\mathrm{a}_1$ is performed in final states where one pseudoscalar decays to two b quarks and the other to a pair of muons or $\tau$ leptons. A data sample of proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ recorded with the CMS detector is analyzed. No statistically significant excess is observed over the standard model backgrounds. Upper limits are set at 95% confidence level (CL) on the Higgs boson branching fraction to $\mu\mu$bb and to $\tau\tau$bb, via a pair of $\mathrm{a}_1$s. The limits depend on the pseudoscalar mass $m_{\mathrm{a}_1}$ and are observed to be in the range (0.17-3.3) $\times$ 10$^{-4}$ and (1.7-7.7) $\times$ 10$^{2}$ in the $\mu\mu$bb and $\tau\tau$bb final states, respectively. In the framework of models with two Higgs doublets and a complex scalar singlet (2HDM+S), the results of the two final states are combined to determine model-independent upper limits on the branching fraction $\mathcal{B}$(H $\to$ $\mathrm{a}_1\mathrm{a}_1$ $\to$ $\ell\ell$bb) at 95% CL, with $\ell$ being a muon or a $\tau$ lepton. For different types of 2HDM+S, upper bounds on the branching fraction $\mathcal{B}$(H $\to$ $\mathrm{a}_1\mathrm{a}_1$) are extracted from the combination of the two channels. In most of the Type II 2HDM+S parameter space, $\mathcal{B}($H $\to$ $\mathrm{a}_1\mathrm{a}_1$) values above 0.23 are excluded at 95% CL for $m_{\mathrm{a}_1}$ values between 15 and 60 GeV.

Keyword(s): p p: colliding beams ; Higgs particle: decay modes ; decay: exotic ; muon: pair production ; tau: pair production ; bottom: pair production ; Higgs particle: branching ratio: upper limit ; mass: pseudoscalar ; singlet: scalar ; bottom: 2 ; p p: scattering ; Higgs particle: doublet ; final state: ((n)jet dilepton) ; background ; CMS ; CERN LHC Coll ; experimental results

Classification:

Note: Submitted to the European Physical Journal C. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/HIG-22-007 (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. DFG project G:(GEPRIS)390833306 - EXC 2121: Quantum Universe (390833306) (390833306)
  3. GRK 2497 - GRK 2497: Physik der schwersten Teilchen am Large Hadron Collider (400140256) (400140256)
  4. 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 2024
Database coverage:
Medline ; Creative Commons Attribution CC BY 4.0 ; SCOAP3 OpenAccess ; DOAJ ; OpenAccess ; Clarivate Analytics Master Journal List ; Current Contents - Physical, Chemical and Earth Sciences ; DOAJ Seal ; Ebsco Academic Search ; Essential Science Indicators ; IF < 5 ; JCR ; SCOAP3 sponsored Journal ; SCOPUS ; Science Citation Index Expanded ; Web of Science Core Collection
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