Search for Light Bosons in Exotic Decays of the 125 GeV Higgs Boson

Abstract

A search for pairs of light bosons produced from decays of the 125 GeV Higgs boson is presented. The search covers the light boson mass region where the particle could have an enhanced decay rate to a pair of τ leptons, according to different models and scenarios. The leptonic decay channels corresponding to the 4τ and 2μ2τ final states are used. The search is based on proton-proton collisions collected by the CMS experiment in 2016 at a center-of-mass energy of 13 TeV. This dataset corresponds to an integrated luminosity of 35.9 fb^{-1}. The analysis is motivated by many theories beyond the Standard Model that suggest modifications in the Higgs sector. The prevailing tendency among these new models is to extend the group structure of the scalar sector, thus resulting in an increased number of physical states in their spectrum. The additional bosons could couple to both the 125 GeV Higgs boson and the rest of the particles in the theory, which allows their detection through different production and decay mechanisms. Two different approaches used for the analysis of the data are presented. The first strategy targets boosted event topologies, occurring for light bosons with masses between 4 and 15 GeV. The second method employs a modified event selection technique combined with a more powerful final discriminant to be able to extend the mass range up to 21 GeV. In both approaches, no significant deviation beyond the expectation from the Standard Model is observed. Observed and expected upper limits at 95% confidence level on the product of the Higgs boson production cross-section relative to that in the Standard Model and the branching fraction into the 4τ final state are set. Interpretations of the experimental results in the context of a specific theoretical model are also provided.

Diese Arbeit präsentiert eine Suche nach neuen leichten Bosonen, die paarweise im Zerfall des 125-GeV-Higgs-Bosons entstehen. Die Suche deckt einen Bereich der Masse der leichten Bosonen ab, für den man erwartet dass diese Teilchen mit grösserer Wahrscheinlichkeit in ein Paar von τ Leptonen zerfallen, wie von verschiedenen Modellen vorhergesagt. Ereignisse werden untersucht bei denen im Endzustand vier Leptonen auftreten, entweder vier τ Leptonen oder zwei τ und zwei μ Leptonen. Für die Suche werden die vom CMS Experiment im Jahr 2016 bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aufgezeichneten Proton-Proton-Kollisionen verwendet. Die analysierte Datenmenge enspricht einer integrierten Luminosität von 35.9 fb^{-1}. Die Analyse ist dadurch motiviert dass in vielen Theorien neuer Physik ausserhalb des Standardmodells Modifizierungen des Higgs Sektors vorhergesagt werden. Eine vorherrschende Tendenz ist die Erweiterung der Gruppenstruktur des skalaren Sektors, die zu einer erhöhten Anzahl von physikalischen Zuständen im Teilchenspektrum führt. Die zusätzlichen Bosonen könnten sowohl an das 125-GeV-Higgs-Boson als auch an andere bekannte Teilchen koppeln, was ihre Detektierung durch verschiedene Produktions- und Zerfallfsmechanismen ermöglicht. Zwei verschiedene Ansätze werden in der Analyse der Daten verfolgt. Die erste Strategie ist es nach den neuen Teilchen in boosted (kollimierten) Ereignistopologien zu schauen, die man für leichte Bosonen mit Massen zwischen 4 und 15 GeV erwartet. In der zweiten Methode wird eine modifizierte Ereignisselektion mit einer speziellen schlagkräftigen multivariaten Signal-zu Untergrunddiskriminierung kombiniert, die es ermöglicht den untersuchten Massenbereich bis auf 21 GeV zu erweitern. Als Ergebnis stellt sich heraus dass für beide Ansätze die Daten mit den Raten der Untergrundprozesse, die vom Standardmodell vorhergesagt werden, übereinstimmen, d.h. es wird kein signifikanter Überschuss beobachtet der die Präsenz neuer Teilchen anzeigen würde. Aus den Daten werden obere Ausschlussgrenzen auf 95% Confidence Level auf das Produkt des Wirkungsquerschnittes für Higgs Boson Produktion relativ zum Standardmodell und des Zerfalls-Verzweigungsverhältnisses in den 4τ Endzustand bestimmt und mit den erwarteten Grenzen verglichen. Die erzielten experimentellen Resultate werden auch im Kontext spezifischer Modelle neuer Physik erörtert und interpretiert.