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Search for $t\bar{t}H/A \rightarrow t\bar{t}t\bar{t}$ production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

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2024

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Report No.: CERN-EP-2024-197; arXiv:2408.17164

Abstract: A search is presented for a heavy scalar ($H$) or pseudo-scalar ($A$) predicted by the two-Higgs-doublet models, where the $H/A$ is produced in association with a top-quark pair ($t\bar{t}H/A$), and with the $H/A$ decaying into a $t\bar{t}$ pair. Events are selected requiring exactly one or two opposite-charge electrons or muons. Data-driven corrections are applied to improve the modelling of the $t\bar{t}$+jets background in the regime with high jet and $b$-jet multiplicities. These include a novel multi-dimensional kinematic reweighting based on a neural network trained using data and simulations. An $H/A$-mass parameterised graph neural network is trained to optimise the signal-to-background discrimination. In combination with the previous search performed by the ATLAS Collaboration in the multilepton final state, the observed upper limits on the $t\bar{t}H/A \rightarrow t\bar{t}t\bar{t}$ production cross-section at 95% confidence level range between 14 fb and 5.0 fb for an $H/A$ with mass between 400 GeV and 1000 GeV, respectively. Assuming that both the $H$ and $A$ contribute to the $t\bar{t}t\bar{t}$ cross-section, $\tan\beta$ values below 1.7 or 0.7 are excluded for a mass of 400 GeV or 1000 GeV, respectively. The results are also used to constrain a model predicting the pair production of a colour-octet scalar, with the scalar decaying into a $t\bar{t}$ pair.

Keyword(s): top, pair production ; jet, background ; p p, scattering ; GeV ; ATLAS ; neural network ; muon ; multiplicity ; higher-dimensional ; electron ; kinematics ; TeV


Note: 51 pages in total, author list starting page 34, 11 figures, 3 tables, submitted to EPJC. All figures including auxiliary figures are available at https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/EXOT-2022-13/

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. DFG project G:(GEPRIS)469666862 - Präzisionstests des Standardmodells unter der Verwendung von geboosteten W/Z-Bosonen am Large Hadron Collider (469666862) (469666862)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2024
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