[논문 리뷰] Search for Darkonium in $e^+e^-$ Collisions

The BABAR Collaboration|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 16.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 27인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 BESIII 실험에서 $e^+e^-$ 충돌에서 생성된 다크온륨 상태—다크 물질 입자의 결합 상태—에 대한 최초의 검색을 제시한다. 최적화된 이벤트 선택 및 다양한 다크 보스론 수명에 맞춘 머신 러닝 분류기들을 사용하여, $m_{A'} < 1\,\text{GeV}$ 및 큰 다크 세터 커플링 상수의 경우 이전 제약 조건보다 향상된 90% 신뢰수준에서 운동 혼합 매개변수 $\varepsilon$에 대한 상한을 $5 \times 10^{-5}$까지 도출하였다.

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 $0.05 &lt; m_{Υ_D} &lt; 9.5 ext{ GeV}$.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 광자와 다크 보스론 $A'$ 사이의 운동 혼합 매개변수 $\varepsilon$에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해, 다크 물질 입자들의 결합 상태인 다크온륨 상태가 $e^+e^-$ 충돌에서 세 개의 다크 광자로 붕괴하는 것을 탐색한다.
• 다크 세터에서 표준모형 광자와의 운동 혼합 매개변수 $\varepsilon$에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해, 다크 보스론 $A'$와의 결합을 고려한다.
• 다크 보스론 질량 $m_{A'}$가 0.001에서 3.16 GeV 사이이고, 다크온륨 질량 $m_{\Upsilon_D}$가 0.05에서 9.5 GeV 사이인 매개변수 공간을 탐색한다.
• 다크 보스론 수명 $c\tau_{A'}$에 따른 신호 감도의 의존성을 고려하기 위해, $c\tau_{A'} = 0.1$, 1, 10 mm에 대해 선택 기준을 최적화한다.
• 다크 세터 커플링 상수 $\alpha_D$ = 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.1인 경우에 대해 모델 독립적인 $\varepsilon$ 상한을 유도한다.

제안 방법

• 다크 보스론 수명 $c\tau_{A'} = 0.1$, 1, 10 mm에 대해 별도로 이벤트 선택 기준을 최적화하였으며, 재구성된 붕괴 위상도 및 복사점 이격도를 기반으로 한다.
• 각 $c\tau_{A'}$ 값에 대해 신호 유사 이벤트와 배경을 구분하기 위한 머신 러닝 분류기를 훈련시켜, 수명 범위 전반에서 감도를 향상시켰다.
• 배경 기여도는 제어 영역을 사용하여 추정하고, 각 $c\tau_{A'}$-최적화된 데이터 샘플에서 별도로 신호 추출을 수행하였다.
• 각 $c\tau_{A'}$ 및 $m_{A'}$ 질량 밴드에 대해 90% 신뢰수준(CL)에서 생산 단면적에 대한 상한을 유도하였다.
• 운동 혼합 $\varepsilon$에 따른 다크 보스론 수명의 의존성을 고려하기 위해 반복적 절차를 사용하여, 수렴할 때까지 각 단계에서 한계를 업데이트하였다.
• $\alpha_D = 0.5$에 대해 $\varepsilon^2$에 대한 상한을 도출하였으며, 보조 자료에는 다른 $\alpha_D$ 값에 대한 결과도 포함되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다크 물질 입자들의 결합 상태인 다크온륨 상태가, $e^+e^-$ 충돌에서 세 개의 다크 광자로 붕괴함으로써 생성되고 탐지될 수 있는가?
• RQ2 다양한 $m_{A'}$ 및 $m_{\Upsilon_D}$ 범위에서 표준모형 광자와 다크 보스론 $A'$ 사이의 운동 혼합 매개변수 $\varepsilon$에 대한 감도 상한은 어떻게 되는가?
• RQ3 다크 보스론 수명 $c\tau_{A'}$에 따라 검색 감도가 어떻게 변하는가? 그리고 이는 머신 러닝을 통해 최적화될 수 있는가?
• RQ4 유도된 상한은 기존 제약 조건과 비교하여 어떻게 되는가? 특히 $m_{A'} < 1\,\text{GeV}$ 및 큰 $\alpha_D$의 경우에 대해 어떻게 되는가?
• RQ5 다크 세터 커플링 상수 $\alpha_D$는 감도와 최종적으로 도출된 $\varepsilon$에 대한 상한에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 $c\tau_{A'}$-최적화된 데이터 샘플에서 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, $c\tau_{A'} = 0.1$, 1, 10 mm일 경우 각각 56, 33, 31개의 이벤트가 선택되었다.
• 다크 보스론 질량 $m_{A'} < 1\,\text{GeV}$ 범위에서 다수의 매개변수 공간에서 90% 신뢰수준에서 운동 혼합 매개변수 $\varepsilon$에 대한 상한이 $5 \times 10^{-5}$까지 도출되었다.
• $\alpha_D = 0.5$일 경우, $\varepsilon^2$에 대한 상한은 $m_{\Upsilon_D}$ 및 $m_{A'}$에 따라 함수 형태로 도출되었으며, 낮은 $m_{A'}$ 및 중간 $m_{\Upsilon_D}$ 영역에서 가장 강력한 제약 조건을 제공하였다.
• 특히 큰 다크 세터 커플링 상수 $\alpha_D$의 경우, $m_{A'} < 1\,\text{GeV}$ 영역에서 기존 제약 조건을 향상시켰다.
• 수명 의존성 효과를 고려하기 위한 반복적 절차는 다양한 $\varepsilon$ 및 $c\tau_{A'}$ 값에서의 결과의 강건성과 일관성을 보장하였다.
• $\alpha_D = 0.1, 0.3, 0.7, 0.9, 1.1$에 대한 제약 조건은 보조 자료에 제공되었으며, 탐색된 영역에서 이전 제약 조건보다 체계적으로 향상된 결과를 보였다.