Search for high-mass bosons of an extended Higgs sector in b quark final states using the 2017 data set of the CMS experiment

Abstract

A search for heavy, neutral Higgs bosons produced in association with b quarks and decaying into a pair of b quarks is presented. It is based on LHC Run 2 data, produced at a center-of-mass energy of 13 TeV in pp collisions and collected by the CMS experiment in 2017, corresponding to an integrated luminosity of 36.02/fb. Several theories beyond the Standard Model predict additional Higgs bosons and, depending on the specific model, the coupling to b quarks can be significantly enlarged. This is for example the case in the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) and in the type-II and flipped scenarios of the general Two-Higgs-Doublet Model (2HDM). A dedicated trigger is utilized to select the events for this analysis. At least three highly energetic jets are required in the final state. Out of these, the two jets with the largest energy contributions are selected as candidates for the Higgs boson decay and the third one is originating from an associated b quark. The invariant mass of the leading two jets is therefore the main observable in this analysis and Higgs boson masses from 300 to 1600 GeV are investigated. To avoid overlap with the complementary semi-leptonic analysis, no muon is required to be present within any final-state jet, leading to an all-hadronic signature. The dominant background contribution consists of heavy-flavor QCD-multi-jet events and is estimated based on a fully data-driven approach. No significant deviation from the background-only prediction of the Standard Model is observed. Therefore, limits on the production cross-section times branching fraction of the signal process are calculated. These limits are translated into the parameter space of several specific models, namely the (mA, tan beta) plane for MSSM benchmark scenarios and the (cos(beta − alpha), mA, tan beta) parameter space of 2HDM models.

Eine Suche nach schweren, neutralen Higgs-Bosonen, die in Assoziation mit b-Quarks produziert werden und in ein b-Quark-Paar zerfallen, wird präsentiert. Sie basiert auf LHC-Run-2 Daten, die bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV in Proton-Proton-Kollisionen erzeugt und im Jahr 2017 vom CMS Experiment aufgezeichnet wurden und die einer integrierten Luminosität von 36.02/fb entsprechen. Mehrere Theorien, die über das Standardmodell hinaus gehen, sagen weitere Higgs-Bosonen voraus und abhängig vom spezifischen Modell kann die Kopplung an b-Quarks signifikant erhöht sein. Dies ist beispielsweise der Fall in der minimalen supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells (MSSM) und in den type-II und flipped Szenarien des allgemeinen Zwei-Higgs-Doublet Modells (2HDM). Ein speziell entwickelter Trigger wird genutzt, um die Events für diese Analyse zu selektieren. Mindestens drei hochenergetische Jets werden im Endzustand gefordert. Von diesen werden die beiden Jets mit den höchsten Energiebeiträgen als Kandidaten für den Zerfall des Higgs-Bosons ausgewählt und der dritte stammt von einem assoziierten b-Quark. Die invariante Masse der führenden beiden Jets ist daher die Hauptobservable in dieser Analyse und Higgs-Boson-Massen von 300 bis 1600 GeV werden untersucht. Um Überschneidungen mit der komplementären semileptonischen Analyse zu vermeiden, wird gefordert, dass kein Myon in einem der Jets im Endzustand präsent ist, was zu einer vollständig hadronischen Signatur führt. Der dominante Untergrundbeitrag besteht aus heavy-flavor QCD-Multi-Jet-Events und wird basierend auf einem vollständig datenbasierten Ansatz geschätzt. Keine signifikante Abweichung von der Untergrundvorhersage des Standardmodells wird beobachtet. Deshalb werden Limits auf das Produkt des Produktionswirkungsquerschnitts und der Zerfallswahrscheinlichkeit des Signalprozesses berechnet. Diese Limits werden in den Parameterraum spezifischer Modelle übersetzt, genauer die (mA, tan beta)-Ebene für MSSM Szenarien und den (cos(beta − alpha), mA, tan beta)-Parameterraum für 2HDM Modelle.