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Search for dark matter produced in association with a pair of bottom quarks in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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2024

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Report No.: CERN-EP-2024-206; CMS-SUS-23-008; arXiv:2408.17336

Abstract: A search for dark matter (DM) particles produced in association with bottom quarks is presented. The analysis uses proton-proton collision data at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}$ = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The search is performed in the final state with large missing transverse momentum and a pair of jets originating from bottom quarks. No significant excess of data is observed with respect to the standard model expectation. Results are interpreted in the context of a type-II two-Higgs-doublet model with an additional light pseudoscalar (2HDM+a). An upper limit is set on the mass of the lighter pseudoscalar, excluding masses up to 260 GeV at 95% confidence level. This is the first search at the LHC to probe DM produced in association with two nonresonant bottom quarks in the 2HDM+a model. Sensitivity to the parameter space with the ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs doublets, $\tan\beta$, greater than 15 is achieved, capitalizing on the enhancement of couplings between pseudoscalars and bottom quarks with high $\tan\beta$.


Note: Submitted to the Journal of High Energy Physics. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/SUS-23-008 (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)
  3. DFG project G:(GEPRIS)390833306 - EXC 2121: Quantum Universe (390833306) (390833306)
  4. GRK 2497 - GRK 2497: Physik der schwersten Teilchen am Large Hadron Collider (400140256) (400140256)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

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