Search for the exotic decay of the Higgs boson into two light pseudoscalars with four photons in the final state in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV

Author:

,Tumasyan A.,Adam W.,Andrejkovic J. W.,Bergauer T.,Chatterjee S.,Damanakis K.,Dragicevic M.,Escalante Del Valle A.,Frühwirth R.,Jeitler M.,Krammer N.,Lechner L.,Liko D.,Mikulec I.,Paulitsch P.,Pitters F. M.,Schieck J.,Schöfbeck R.,Schwarz D.,Templ S.,Waltenberger W.,Wulz C.-E.,Darwish M. R.,De Wolf E. A.,Janssen T.,Kello T.,Lelek A.,Rejeb Sfar H.,Van Mechelen P.,Van Putte S.,Van Remortel N.,Bols E. S.,D’Hondt J.,Delcourt M.,El Faham H.,Lowette S.,Moortgat S.,Morton A.,Müller D.,Sahasransu A. R.,Tavernier S.,Van Doninck W.,Vannerom D.,Beghin D.,Bilin B.,Clerbaux B.,De Lentdecker G.,Favart L.,Kalsi A. K.,Lee K.,Mahdavikhorrami M.,Makarenko I.,Moureaux L.,Paredes S.,Pétré L.,Popov A.,Postiau N.,Starling E.,Thomas L.,Vanden Bemden M.,Vander Velde C.,Vanlaer P.,Cornelis T.,Dobur D.,Knolle J.,Lambrecht L.,Mestdach G.,Niedziela M.,Rendón C.,Roskas C.,Samalan A.,Skovpen K.,Tytgat M.,Vermassen B.,Wezenbeek L.,Benecke A.,Bethani A.,Bruno G.,Bury F.,Caputo C.,David P.,Delaere C.,Donertas I. S.,Giammanco A.,Jaffel K.,Jain Sa.,Lemaitre V.,Mondal K.,Prisciandaro J.,Taliercio A.,Teklishyn M.,Tran T. T.,Vischia P.,Wertz S.,Alves G. A.,Hensel C.,Moraes A.,Rebello Teles P.,Aldá Júnior W. L.,Alves Gallo Pereira M.,Barroso Ferreira Filho M.,Brandao Malbouisson H.,Carvalho W.,Chinellato J.,Da Costa E. M.,Da Silveira G. G.,De Jesus Damiao D.,Dos Santos Sousa V.,Fonseca De Souza S.,Mora Herrera C.,Mota Amarilo K.,Mundim L.,Nogima H.,Santoro A.,Silva Do Amaral S. M.,Sznajder A.,Thiel M.,Torres Da Silva De Araujo F.,Vilela Pereira A.,Bernardes C. A.,Calligaris L.,Fernandez Perez Tomei T. R.,Gregores E. M.,Lemos D. S.,Mercadante P. G.,Novaes S. F.,Padula Sandra S.,Aleksandrov A.,Antchev G.,Hadjiiska R.,Iaydjiev P.,Misheva M.,Rodozov M.,Shopova M.,Sultanov G.,Dimitrov A.,Ivanov T.,Litov L.,Pavlov B.,Petkov P.,Petrov A.,Cheng T.,Javaid T.,Mittal M.,Yuan L.,Ahmad M.,Bauer G.,Dozen C.,Hu Z.,Martins J.,Wang Y.,Yi K.,Chapon E.,Chen G. M.,Chen H. S.,Chen M.,Iemmi F.,Kapoor A.,Leggat D.,Liao H.,Liu Z.-A.,Milosevic V.,Monti F.,Sharma R.,Tao J.,Thomas-Wilsker J.,Wang J.,Zhang H.,Zhao J.,Agapitos A.,An Y.,Ban Y.,Chen C.,Levin A.,Li Q.,Lyu X.,Mao Y.,Qian S. J.,Wang D.,Xiao J.,Yang H.,Lu M.,You Z.,Gao X.,Okawa H.,Zhang Y.,Lin Z.,Xiao M.,Avila C.,Cabrera A.,Florez C.,Fraga J.,Mejia Guisao J.,Ramirez F.,Ruiz Alvarez J. D.,Giljanovic D.,Godinovic N.,Lelas D.,Puljak I.,Antunovic Z.,Kovac M.,Sculac T.,Brigljevic V.,Ferencek D.,Majumder D.,Roguljic M.,Starodumov A.,Susa T.,Attikis A.,Christoforou K.,Ioannou A.,Kole G.,Kolosova M.,Konstantinou S.,Mousa J.,Nicolaou C.,Ptochos F.,Razis P. A.,Rykaczewski H.,Saka H.,Finger M.,Finger M.,Kveton A.,Ayala E.,Carrera Jarrin E.,Abdalla H.,Khalil S.,Lotfy A.,Mahmoud M. A.,Bhowmik S.,Dewanjee R. K.,Ehataht K.,Kadastik M.,Nandan S.,Nielsen C.,Pata J.,Raidal M.,Tani L.,Veelken C.,Eerola P.,Kirschenmann H.,Osterberg K.,Voutilainen M.,Bharthuar S.,Brücken E.,Garcia F.,Havukainen J.,Kim M. S.,Kinnunen R.,Lampén T.,Lassila-Perini K.,Lehti S.,Lindén T.,Lotti M.,Martikainen L.,Myllymäki M.,Ott J.,Siikonen H.,Tuominen E.,Tuominiemi J.,Luukka P.,Petrow H.,Tuuva T.,Amendola C.,Besancon M.,Couderc F.,Dejardin M.,Denegri D.,Faure J. L.,Ferri F.,Ganjour S.,Gras P.,Hamel de Monchenault G.,Jarry P.,Lenzi B.,Locci E.,Malcles J.,Rander J.,Rosowsky A.,Sahin M. Ö.,Savoy-Navarro A.,Titov M.,Yu G. B.,Ahuja S.,Beaudette F.,Bonanomi M.,Buchot Perraguin A.,Busson P.,Cappati A.,Charlot C.,Davignon O.,Diab B.,Falmagne G.,Ghosh S.,Granier de Cassagnac R.,Hakimi A.,Kucher I.,Motta J.,Nguyen M.,Ochando C.,Paganini P.,Rembser J.,Salerno R.,Sarkar U.,Sauvan J. B.,Sirois Y.,Tarabini A.,Zabi A.,Zghiche A.,Agram J.-L.,Andrea J.,Apparu D.,Bloch D.,Bourgatte G.,Brom J.-M.,Chabert E. 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P.,Albergo S.,Costa S.,Di Mattia A.,Potenza R.,Tricomi A.,Tuve C.,Barbagli G.,Cassese A.,Ceccarelli R.,Ciulli V.,Civinini C.,D’Alessandro R.,Focardi E.,Latino G.,Lenzi P.,Lizzo M.,Meschini M.,Paoletti S.,Seidita R.,Sguazzoni G.,Viliani L.,Benussi L.,Bianco S.,Piccolo D.,Bozzo M.,Ferro F.,Mulargia R.,Robutti E.,Tosi S.,Benaglia A.,Boldrini G.,Brivio F.,Cetorelli F.,De Guio F.,Dinardo M. E.,Dini P.,Gennai S.,Ghezzi A.,Govoni P.,Guzzi L.,Lucchini M. T.,Malberti M.,Malvezzi S.,Massironi A.,Menasce D.,Moroni L.,Paganoni M.,Pedrini D.,Pinolini B. S.,Ragazzi S.,Redaelli N.,Tabarelli de Fatis T.,Valsecchi D.,Zuolo D.,Buontempo S.,Carnevali F.,Cavallo N.,De Iorio A.,Fabozzi F.,Iorio A. O. M.,Lista L.,Meola S.,Paolucci P.,Rossi B.,Sciacca C.,Azzi P.,Bacchetta N.,Bisello D.,Bortignon P.,Bragagnolo A.,Carlin R.,Checchia P.,Dorigo T.,Dosselli U.,Gasparini F.,Gasparini U.,Grosso G.,Layer L.,Lusiani E.,Margoni M.,Meneguzzo A. 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G.,Barria P.,Campana M.,Cavallari F.,Del Re D.,Di Marco E.,Diemoz M.,Longo E.,Meridiani P.,Organtini G.,Pandolfi F.,Paramatti R.,Quaranta C.,Rahatlou S.,Rovelli C.,Santanastasio F.,Soffi L.,Tramontano R.,Amapane N.,Arcidiacono R.,Argiro S.,Arneodo M.,Bartosik N.,Bellan R.,Bellora A.,Berenguer Antequera J.,Biino C.,Cartiglia N.,Costa M.,Covarelli R.,Demaria N.,Kiani B.,Legger F.,Mariotti C.,Maselli S.,Migliore E.,Monteil E.,Monteno M.,Obertino M. M.,Ortona G.,Pacher L.,Pastrone N.,Pelliccioni M.,Ruspa M.,Shchelina K.,Siviero F.,Sola V.,Solano A.,Soldi D.,Staiano A.,Tornago M.,Trocino D.,Vagnerini A.,Belforte S.,Candelise V.,Casarsa M.,Cossutti F.,Da Rold A.,Della Ricca G.,Sorrentino G.,Dogra S.,Huh C.,Kim B.,Kim D. H.,Kim G. N.,Kim J.,Lee J.,Lee S. W.,Moon C. S.,Oh Y. D.,Pak S. I.,Sekmen S.,Yang Y. C.,Kim H.,Moon D. H.,Francois B.,Kim T. J.,Park J.,Cho S.,Choi S.,Hong B.,Lee K.,Lee K. S.,Lim J.,Park J.,Park S. K.,Yoo J.,Goh J.,Gurtu A.,Kim H. S.,Kim Y.,Almond J.,Bhyun J. H.,Choi J.,Jeon S.,Kim J.,Kim J. S.,Ko S.,Kwon H.,Lee H.,Lee S.,Oh B. H.,Oh M.,Oh S. B.,Seo H.,Yang U. K.,Yoon I.,Jang W.,Kang D. Y.,Kang Y.,Kim S.,Ko B.,Lee J. S. H.,Lee Y.,Merlin J. A.,Park I. C.,Roh Y.,Ryu M. S.,Song D.,Watson I. J.,Yang S.,Ha S.,Yoo H. D.,Choi M.,Lee H.,Lee Y.,Yu I.,Beyrouthy T.,Maghrbi Y.,Dreimanis K.,Veckalns V.,Ambrozas M.,Carvalho Antunes De Oliveira A.,Juodagalvis A.,Rinkevicius A.,Tamulaitis G.,Bin Norjoharuddeen N.,Zolkapli Z.,Benitez J. F.,Castaneda Hernandez A.,Gallegos Maríñez L. G.,León Coello M.,Murillo Quijada J. A.,Sehrawat A.,Valencia Palomo L.,Ayala G.,Castilla-Valdez H.,De La Cruz-Burelo E.,Heredia-De La Cruz I.,Lopez-Fernandez R.,Mondragon Herrera C. A.,Perez Navarro D. A.,Reyes-Almanza R.,Sánchez Hernández A.,Carrillo Moreno S.,Oropeza Barrera C.,Vazquez Valencia F.,Pedraza I.,Salazar Ibarguen H. A.,Uribe Estrada C.,Mijuskovic J.,Raicevic N.,Krofcheck D.,Butler P. H.,Ahmad A.,Asghar M. I.,Awais A.,Awan M. I. M.,Hoorani H. R.,Khan W. A.,Shah M. A.,Shoaib M.,Waqas M.,Avati V.,Grzanka L.,Malawski M.,Bialkowska H.,Bluj M.,Boimska B.,Górski M.,Kazana M.,Szleper M.,Zalewski P.,Bunkowski K.,Doroba K.,Kalinowski A.,Konecki M.,Krolikowski J.,Araujo M.,Bargassa P.,Bastos D.,Boletti A.,Faccioli P.,Gallinaro M.,Hollar J.,Leonardo N.,Niknejad T.,Pisano M.,Seixas J.,Toldaiev O.,Varela J.,Adzic P.,Dordevic M.,Milenovic P.,Milosevic J.,Aguilar-Benitez M.,Alcaraz Maestre J.,Álvarez Fernández A.,Bachiller I.,Barrio Luna M.,Bedoya Cristina F.,Carrillo Montoya C. A.,Cepeda M.,Cerrada M.,Colino N.,De La Cruz B.,Delgado Peris A.,Fernández Ramos J. P.,Flix J.,Fouz M. C.,Gonzalez Lopez O.,Goy Lopez S.,Hernandez J. M.,Josa M. I.,León Holgado J.,Moran D.,Navarro Tobar Á.,Perez Dengra C.,Pérez-Calero Yzquierdo A.,Puerta Pelayo J.,Redondo I.,Romero L.,Sánchez Navas S.,Urda Gómez L.,Willmott C.,de Trocóniz J. F.,Alvarez Gonzalez B.,Cuevas J.,Erice C.,Fernandez Menendez J.,Folgueras S.,Gonzalez Caballero I.,González Fernández J. R.,Palencia Cortezon E.,Ramón Álvarez C.,Rodríguez Bouza V.,Soto Rodríguez A.,Trapote A.,Trevisani N.,Vico Villalba C.,Brochero Cifuentes J. A.,Cabrillo I. J.,Calderon A.,Duarte Campderros J.,Fernandez M.,Fernandez Madrazo C.,Fernández Manteca P. J.,García Alonso A.,Gomez G.,Martinez Rivero C.,Martinez Ruiz del Arbol P.,Matorras F.,Matorras Cuevas P.,Piedra Gomez J.,Prieels C.,Ruiz-Jimeno A.,Scodellaro L.,Vila I.,Vizan Garcia J. M.,Jayananda M. K.,Kailasapathy B.,Sonnadara D. U. J.,Wickramarathna D. D. C.,Dharmaratna W. G. D.,Liyanage K.,Perera N.,Wickramage N.,Aarrestad T. K.,Abbaneo D.,Alimena J.,Auffray E.,Auzinger G.,Baechler J.,Baillon P.,Barney D.,Bendavid J.,Bianco M.,Bocci A.,Caillol C.,Camporesi T.,Capeans Garrido M.,Cerminara G.,Chernyavskaya N.,Chhibra S. S.,Choudhury S.,Cipriani M.,Cristella L.,d’Enterria D.,Dabrowski A.,David A.,De Roeck A.,Defranchis M. M.,Deile M.,Dobson M.,Dünser M.,Dupont N.,Elliott-Peisert A.,Fallavollita F.,Florent A.,Forthomme L.,Franzoni G.,Funk W.,Ghosh S.,Giani S.,Gigi D.,Gill K.,Glege F.,Gouskos L.,Haranko M.,Hegeman J.,Innocente V.,James T.,Janot P.,Kaspar J.,Kieseler J.,Komm M.,Kratochwil N.,Lange C.,Laurila S.,Lecoq P.,Lintuluoto A.,Long K.,Lourenço C.,Maier B.,Malgeri L.,Mallios S.,Mannelli M.,Marini A. C.,Meijers F.,Mersi S.,Meschi E.,Moortgat F.,Mulders M.,Orfanelli S.,Orsini L.,Pantaleo F.,Perez E.,Peruzzi M.,Petrilli A.,Petrucciani G.,Pfeiffer A.,Pierini M.,Piparo D.,Pitt M.,Qu H.,Quast T.,Rabady D.,Racz A.,Reales Gutiérrez G.,Rovere M.,Sakulin H.,Salfeld-Nebgen J.,Scarfi S.,Schäfer C.,Selvaggi M.,Sharma A.,Silva P.,Snoeys W.,Sphicas P.,Summers S.,Tatar K.,Tavolaro V. R.,Treille D.,Tropea P.,Tsirou A.,Wanczyk J.,Wozniak K. A.,Zeuner W. D.,Caminada L.,Ebrahimi A.,Erdmann W.,Horisberger R.,Ingram Q.,Kaestli H. 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S.,Zarubin A.,Zhizhin I.,Zhokin A.

Abstract

Abstract A search for the exotic decay of the Higgs boson to a pair of light pseudoscalars, each of which subsequently decays into a pair of photons, is presented. The search uses data from proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV recorded with the CMS detector at the LHC that corresponds to an integrated luminosity of 132 fb1. The analysis probes pseudoscalar bosons with masses in the range 15–62 GeV, coming from the Higgs boson decay, which leads to four well-isolated photons in the final state. No significant deviation from the background-only hypothesis is observed. Upper limits are set on the product of the Higgs boson production cross section and branching fraction into four photons. The observed (expected) limits range from 0.80 (1.00) fb for a pseudoscalar boson mass of 15 GeV to 0.26 (0.24) fb for a mass of 62 GeV at 95% confidence level.

Publisher

Springer Science and Business Media LLC

Subject

Nuclear and High Energy Physics

Reference66 articles.

1. ATLAS collaboration, Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, Phys. Lett. B 716 (2012) 1 [arXiv:1207.7214] [INSPIRE].

2. CMS collaboration, Observation of a new boson at a Mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Phys. Lett. B 716 (2012) 30 [arXiv:1207.7235] [INSPIRE].

3. CMS collaboration, Observation of a new boson with mass near 125 GeV in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 7 and 8 TeV, JHEP 06 (2013) 081 [arXiv:1303.4571] [INSPIRE].

4. CMS collaboration, Measurements of Higgs boson production cross sections and couplings in the diphoton decay channel at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV, JHEP 07 (2021) 027 [arXiv:2103.06956] [INSPIRE].

5. CMS collaboration, Measurements of production cross sections of the Higgs boson in the four-lepton final state in proton–proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV, Eur. Phys. J. C 81 (2021) 488 [arXiv:2103.04956] [INSPIRE].

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