Search for light bosons in the final state with muons and tau leptons with CMS Run II data

Abstract

A search for a pair of light bosons produced in decays of the 125 GeV Higgs boson, with one of the light states decaying into a pair of muons and the other into a pair of tau leptons, is presented. The search is based on a data sample corresponding to an integrated luminosity of 137.2 fb−1, collected with the CMS detector at the CERN Large Hadron Collider in the years 2016, 2017, and 2018 at a center-of-mass energy of 13 TeV. An extended Higgs sector is well motivated in a vast set of Beyond the Standard Model theories such as the two Higgs doublets plus one additional singlet (2HDM+S) and the Dark Photon Model. In the context of these models, the 125 GeV Higgs boson can decay into a pair of light bosons, which subsequently decay to pairs of Standard Model particles. Considering the enhanced coupling of the light bosons to leptons for some of the scenarios within these models, the final state considered in this work results of particular interest. Masses of the light boson between 3.6 and 21 GeV are probed, which leads to an experimental signature in the detector with both the muon pair and visible decay products from the tau pair being highly collimated. The analysis benefits from the efficient identification and reconstruction of muons by the CMS detector. Using Multivariate Analysis Techniques, the information on several kinematic variables is exploited to enhance the sensitivity to the targeted topology. No significant excess of events is found above the Standard Model expectation. Therefore, model-independent upper limits at 95% confidence level on the 125 GeV Higgs boson production cross-section times the branching fraction into the studied final state are set. Model-specific upper bounds are obtained as constraints on the parameter space of the different benchmark scenarios within the 2HDM+S and the Dark Photon Model.

In dieser Arbeit wird eine Suche für die Erzeugung eines Paares von neuen leichten Bosonen präsentiert, die aus dem Zerfall des 125 GeV HiggsBosons stammen und bei dem eines der neuen Teilchen in ein Paar von Muonen zerfällt und das andere in ein Paar von Tau-Leptonen. Die Suche basiert auf Daten die mit dem CMS Detektor in Proton-Proton Kollisionen am "Large Hadron Collider" am CERN in den Jahren 2016 bis 2018 aufgezeichnet wurden, bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV. Die analysierte Datenmenge entspricht einer integrierten Luminosität von 137.2 fb−1. Ein erweiterter Higgs Sektor wird von vielen Theorien jenseits des Standardmodells angenommen, wie zum Beispiel vom "Two Higgs doublets plus one additional singlet (2HDM+S)" Modell und dem "Dark Photon" Modell. In diesen Theorien kann das 125 GeV HiggsBoson in ein Paar von neuen leichten Bosonen zerfallen, die danach wieder-um jeweils in Paare von Standardmodellteilchen zerfallen. Einigen Szenarios zufolge könnten die neuen Bosonen verstärkt an Leptonen koppeln und damit ist der hier untersuchte Zerfall in Leptonpaare von besonderem Interesse. Die Studie deckt einen Massenbereich von leichten Bosonen von 3.6 bis 21 GeV ab, was zu einer experimentellen Signatur im Detektor führt bei der sowohl das Muonpaar als auch die sichtbaren Zerfallsprodukte aus dem Taupaar stark kollimiert sind. Die Analyse profitiert von der effizienten Identifizierung und Rekonstruktion von Muonen mit dem CMS Detektor. Eine multivariate Analysetechnik wird auf ausgewählte kinematische Observablen angewandt um die Sensitivität auf ein mögliches Signal in der untersuchten Ereignistopologie zu erhöhen. Als Ergebnis wird kein signifikanter Überschuss von Ereignissen im Vergleich zu der Erwartung aus Standardmodellprozessen beobachtet. Stattdessen werden modellunabhängige obere Ausschlussgrenzen bei 95% Konfidenzniveau bestimmt für den Wirkungsquerschnitt für die Produktion des 125 GeV HiggsBosons multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis in den untersuchten Endzustand. Darüberhinaus werden modellspezifische obere Ausschlussgrenzen gesetzt im Parameterraum verschiedener Referenszenarien des “2HDM+S” Modells und des “Dark Photon" Modells.