[論文レビュー] Search for Darkonium in $e^+e^-$ Collisions

The BABAR Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、BESIII実験における$e^+e^-$衝突において生成されるダークオニウム状態—ダークマター粒子の束縛状態—の最初の探索を提示する。最適化されたイベント選別と、異なるダークフォトンの平均自由行程に応じた機械学習分類器を用いて、質量範囲が広い領域において、90%信頼水準の運動的混合パラメータ$\varepsilon$の上限を$5 \times 10^{-5}$まで低下させた。これは、$m_{A'} < 1\,\text{GeV}$の領域および大きなダークセクター結合定数を持つ場合に、既存の制約を改善した。

ABSTRACT

Collider searches for dark sectors, new particles interacting only feebly with ordinary matter, have largely focused on identifying signatures of new mediators, leaving much of dark sector structures unexplored. In particular, the existence of dark matter bound states (darkonia) remains to be investigated. This possibility could arise in a simple model in which a dark photon ($A'$) is light enough to generate an attractive force between dark fermions. We report herein a search for a $J^{PC}= 1^{--}$ darkonium state, the $Υ_D$, produced in the reaction $e^+e^- ightarrow γΥ_D, Υ_D ightarrow A' A' A'$, where the dark photons subsequently decay into pairs of leptons or pions, using $514 ext{ fb}^{-1}$ of data collected with the BABAR detector. No significant signal is observed, and we set bounds on the $γ- A'$ kinetic mixing as a function of the dark sector coupling constant for $0.001 &lt; m_{A'} &lt; 3.16 ext{ GeV}$ and $0.05 &lt; m_{Υ_D} &lt; 9.5 ext{ GeV}$.

研究の動機と目的

• 標準模型光子とダークフォトン$A'$の間の運動的混合パラメータ$\varepsilon$の制約を改善すること。
• ダークフォトン質量$m_{A'}$を0.001から3.16 GeV、ダークオニウム質量$m_{\Upsilon_D}$を0.05から9.5 GeVの範囲で、パラメータ空間を探索すること。
• ダークフォトンの平均自由行程$c\tau_{A'}$に応じた信号感度の依存性を考慮し、$c\tau_{A'} = 0.1$, 1, 10 mmの各値に対して選別基準を最適化すること。
• ダークセクター結合定数$\alpha_D$ = 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.1の各値に対して、モデルに依存しない$\varepsilon$の上限を導出すること。

提案手法

• 再構成された崩壊トポロジーと頂点のずれに基づき、ダークフォトンの平均自由行程が$c\tau_{A'} = 0.1$, 1, 10 mmの3つの状態それぞれに対して、イベント選別を別々に最適化した。
• 各$c\tau_{A'}$値に対して、信号に類似したイベントとバックグラウンドを区別するための機械学習分類器を訓練し、平均自由行程の範囲全体で感度を向上させた。
• バックグラウンド寄与は制御領域を用いて推定し、各$c\tau_{A'}$-最適化データサンプルに対して独立して信号抽出を実施した。
• 各$c\tau_{A'}$および$m_{A'}$質量チャンクに対して、90%信頼水準（CL）での生成断面積の上限を導出した。
• 運動的混合$\varepsilon$に依存するダークフォトンの平均自由行程の影響を反映させるために、反復的手順を用い、収束するまで上限を更新した。
• $\alpha_D = 0.5$のときの$\varepsilon^2$の上限を導出したが、他の$\alpha_D$値の結果については補足資料に記載した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマター粒子の束縛状態から成るダークオニウム状態が、$e^+e^-$衝突において3つのダークフォトンに崩壊することで、生成され検出可能であるか？
• RQ2 広い範囲の$m_{A'}$および$m_{\Upsilon_D}$において、標準模型光子とダークフォトン$A'$の間の運動的混合パラメータ$\varepsilon$の感度限界は何か？
• RQ3 ダークフォトンの平均自由行程$c\tau_{A'}$に応じて、この探索の感度はどのように変化するか？また、機械学習を用いて最適化可能か？
• RQ4 得られた制約は、既存の制約と比較してどうなるか？特に$m_{A'} < 1\,\text{GeV}$および大きな$\alpha_D$の領域で。
• RQ5 ダークセクター結合定数$\alpha_D$は、感度および$\varepsilon$の上限にどのような影響を与えるか？

主な発見

• どの$c\tau_{A'}$-最適化データサンプルに対しても、有意な信号は観測されず、$c\tau_{A'} = 0.1$, 1, 10 mmのそれぞれで56, 33, 31件のイベントが選別された。
• 質量範囲が広い領域において、$m_{A'} < 1\,\text{GeV}$の領域で90%信頼水準の運動的混合パラメータ$\varepsilon$の上限を$5 \times 10^{-5}$まで低下させた。
• $\alpha_D = 0.5$のとき、$\varepsilon^2$の上限は$m_{\Upsilon_D}$および$m_{A'}$の関数として導出され、低$m_{A'}$および中程度の$m_{\Upsilon_D}$領域で最も強い制約が得られた。
• 特に大きなダークセクター結合定数$\alpha_D$の領域において、$m_{A'} < 1\,\text{GeV}$の領域で既存の制約を改善した。
• 上限計算における平均自由行程依存効果を反映させる反復的手順により、$\varepsilon$および$c\tau_{A'}$の異なる値において、堅牢で一貫性のある結果が得られた。
• $\alpha_D = 0.1, 0.3, 0.7, 0.9, 1.1$の制約は補足資料に記載されており、調査された領域で、以前の限界を体系的に改善していることが示された。