[论文解读] 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. Abudinén+356 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本论文基于Belle II实验采集的8.34 fb⁻¹数据，在√s = 10.58 GeV的e⁺e⁻碰撞中，首次搜索了暗光子（A′）和隐形暗希格斯玻色子（h′）的存在。研究探测了暗希格斯辐射过程e⁺e⁻ → A′h′，其中A′衰变为μ⁺μ⁻，而h′发生隐形衰变，首次在质量范围4.0 < MA′ < 9.7 GeV/c²且Mh′ < MA′内，对截面（1.7–5.0 fb）和有效耦合ε² × αD（1.7×10⁻⁸–200×10⁻⁸）设定了90%贝叶斯可信度上限，未观测到信号。

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.

研究动机与目标

• 在暗区模型预测的√s = 10.58 GeV e⁺e⁻碰撞中，搜索暗光子（A′）和隐形暗希格斯玻色子（h′）的存在。
• 探测关键信号模式——暗希格斯辐射过程e⁺e⁻ → A′h′，其中A′ → μ⁺μ⁻且h′发生隐形衰变，该过程在解释暗物质丰度的模型中具有重要意义。
• 在MA′为4.0–9.7 GeV/c²且Mh′ < MA′的质量范围内，首次对这一过程的截面和有效耦合ε² × αD设置实验限制。
• 在先前未探索的质量区域，改进对暗光子混合和暗希格斯耦合的约束。

提出的方法

• 分析使用Belle II实验在√s = 10.58 GeV下收集的8.34 fb⁻¹ e⁺e⁻碰撞数据。
• 选择末态为两个μ子（μ⁺μ⁻）和缺失能量的事件，与A′ → μ⁺μ⁻和h′ → 隐形衰变一致。
• 在平方双μ子质量（M²μμ）与平方反冲质量（M²recoil）平面内执行二维搜索，以识别信号样事件。
• 采用在重叠搜索窗口层面定义的Cη选择标准，以增强对信号的敏感度。
• 通过模拟和控制区域估算来自τ⁺τ⁻、μ⁺μ⁻和e⁺e⁻末态的背景，不确定性来源于亮度和样本大小。
• 使用贝叶斯方法在90%可信度水平下计算截面和ε² × αD的上限，并在MA′–Mh′平面上进行插值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MA′为4.0–9.7 GeV/c²的范围内，e⁺e⁻ → A′h′过程（其中A′ → μ⁺μ⁻且h′发生隐形衰变）的产额截面限制为何？
• RQ2 在该质量范围内，对暗光子与暗希格斯玻色子的ε² × αD有效耦合有何约束？
• RQ3 Belle II实验能否在4–9.7 GeV/c²区域内首次设置该过程的实验限制？
• RQ4 观测到的限制与分析的预期灵敏度相比如何？

主要发现

• 在所有宏观区域中，未在搜索区域内观测到显著信号，观测事例数与背景预期一致。
• 在MA′为4.0–9.7 GeV/c²且Mh′ < MA′的条件下，观测到的截面90%贝叶斯可信度上限范围为1.7 fb至5.0 fb。
• 在相同质量范围内，观测到的ε² × αD有效耦合90%置信水平上限范围为1.7×10⁻⁸至200×10⁻⁸。
• 这是首次在该质量区域内对通过暗希格斯辐射产生的A′–h′对过程设置实验限制。
• 这些限制与理论预期具有可比性，并在4–9.7 GeV/c²范围内优于以往约束。
• 预期灵敏度与观测结果高度一致，表明分析具有稳健的统计性能。