[논문 리뷰] Search for a dark photon and an invisible dark Higgs boson in $\mu^+\mu^-$ and missing energy final states with the Belle II experiment

Belle II Collaboration, F. Abudinén외 356명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 벨레 II 실험에서 √s = 10.58 GeV에서의 e⁺e⁻ 충돌 데이터 8.34 fb⁻¹를 사용하여 암흑 보자기(μ⁺μ⁻)와 비가시적 암흑 힉스 보손(h′)이 있는 암흑 보자기(A′)의 첫 번째 탐색을 제시한다. 연구는 A′ → μ⁺μ⁻ 및 h′가 비가시적으로 붕괴하는 A′h′ 생성 과정인 암흑 힉스스트로발링(e⁺e⁻ → A′h′)을 탐색하며, 4.0 < MA′ < 9.7 GeV/c² 범위와 Mh′ < MA′ 조건에서 획득한 90퍼센트 베이지안 신뢰도 상한선을 제시한다. 이는 1.7–5.0 fb의 단면적 및 1.7×10⁻⁸–200×10⁻⁸의 효과적 결합 상수 ε² × αD에 대해 새로운 상한선을 설정하며, 신호는 관측되지 않았다.

ABSTRACT

The dark photon $A^\prime$ and the dark Higgs boson $h^\prime$ are hypothetical particles predicted in many dark sector models. We search for the simultaneous production of $A^\prime$ and $h^\prime$ in the dark Higgsstrahlung process $e^{+}e^{-} ightarrow A^\prime \, h^\prime$ with $A^\prime ightarrow \mu^+\mu^-$ and $ h^\prime$ invisible in electron-positron collisions at a center-of-mass energy of 10.58 GeV collected by the Belle II experiment in 2019. With an integrated luminosity of 8.34 fb$^{-1}$ we observe no evidence for signal. We obtain exclusion limits at 90% Bayesian credibility in the range 1.7--5.0 fb on the cross section and in the range $1.7 imes10^{-8}$--$200 imes10^{-8}$ on the effective coupling $\varepsilon^2 imes \alpha_D$, for $A^\prime$ mass 4.0 GeV/$c^2$ $&lt; M_{A^\prime}&lt; 9.7$ GeV/$c^2$ and $h^\prime$ mass $M_{h^\prime} &lt; M_{A^\prime}$, where $\varepsilon$ is the mixing strength between the Standard Model and the dark photon and $\alpha_D$ is the coupling of the dark photon to the dark Higgs boson. Our limits are the first in this mass range.

연구 동기 및 목표

• 암흑 섹터 모델에서 예측하는 √s = 10.58 GeV에서의 e⁺e⁻ 충돌에서 암흑 보자기(A′)와 비가시적 암흑 힉스 보손(h′)을 탐색하기 위해.
• 암흑 물질 잔여 밀도를 설명하는 데 핵심적인 서명인 A′ → μ⁺μ⁻ 및 h′ → 비가시적 붕괴를 동반하는 암흑 힉스스트로발링 과정 e⁺e⁻ → A′h′를 탐색하기 위해.
• MA′ 범위 4.0–9.7 GeV/c² 및 Mh′ < MA′ 조건에서 이 과정에 대한 효과적 결합 상수 ε² × αD 및 단면적에 대한 최초의 실험적 상한선을 설정하기 위해.
• 이전에 탐색되지 않은 질량 영역에서 암흑 보자기 혼합과 암흑 힉스 결합에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 분석은 벨레 II 실험에서 √s = 10.58 GeV에서 수집한 8.34 fb⁻¹의 e⁺e⁻ 충돌 데이터를 사용한다.
• 이벤트는 A′ → μ⁺μ⁻ 및 h′ → 비가시적 붕괴에 부합하는 두 개의 뮤온(μ⁺μ⁻)과 미량 에너지로 구성된 최종 상태를 선택한다.
• 신호 유사 이벤트를 식별하기 위해 이중 차원 검색을 수행하며, 이는 이중 뮤온 질량의 제곱(M²μμ)과 재충격 질량의 제곱(M²recoil) 평면에서 이루어진다.
• 신호 감도를 향상시키기 위해 겹치는 검색 윈도 수준에서 정의된 Cη 선택 기준을 적용한다.
• τ⁺τ⁻, μ⁺μ⁻ 및 e⁺e⁻ 최종 상태에서 유래하는 배경은 시뮬레이션과 제어 영역을 통해 추정되며, 빛의 강도 및 샘플 크기의 불확실성이 반영된다.
• 90% 신뢰도에서 베이지안 방법을 사용하여 단면적 및 ε² × αD에 대한 상한선을 계산하며, MA′–Mh′ 평면 전역에 걸쳐 보간을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MA′ 범위 4.0–9.7 GeV/c²에서 A′ → μ⁺μ⁻ 및 h′가 비가시적으로 붕괴하는 e⁺e⁻ → A′h′의 생성 단면적에 대한 상한선은 무엇인가요?
• RQ2 이 질량 범위에서 암흑 보자기 및 암흑 힉스 보손에 대한 효과적 결합 상수 ε² × αD에 대한 제약 조건은 무엇인가요?
• RQ3 벨레 II 실험은 4–9.7 GeV/c² 영역에서 이 과정에 대해 최초의 실험적 상한선을 설정할 수 있었나요?
• RQ4 관측된 상한선은 분석의 예상 감도와 어떻게 비교되나요?

주요 결과

• 모든 마크로 영역에서 배경 예측과 일치하는 관측 수익이 관측 지역에서 유의미한 신호를 보이지 않았다.
• MA′가 4.0–9.7 GeV/c² 범위에 있고 Mh′ < MA′ 조건에서 관측된 90% 베이지안 신뢰도 상한선은 단면적으로 1.7 fb에서 5.0 fb 사이이다.
• 동일한 질량 범위에서 관측된 90% 신뢰도 상한선은 효과적 결합 상수 ε² × αD에 대해 1.7×10⁻⁸에서 200×10⁻⁸ 사이이다.
• 이것은 암흑 힉스스트로발링을 통한 A′–h′ 쌍 생성 과정에 대해 이 질량 영역에서 최초의 실험적 상한선이다.
• 이 상한선은 이론적 예측과 경쟁 가능하며, 4–9.7 GeV/c² 범위에서 이전 제약 조건을 향상시킨다.
• 예상 감도는 관측된 상한선과 양호한 일치를 보이며, 분석의 통계적 성능이 우수함을 시사한다.