[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文首次在BESIII实验中对由暗物质粒子组成的束缚态——暗onium态——在$e^+e^-$碰撞中产生的现象进行了搜索。通过针对不同暗光子寿命优化事件选择方法，并采用机器学习分类器，研究在90%置信水平下将动能混合参数$\varepsilon$的上限降低至$5 \times 10^{-5}$，覆盖了广泛的质量范围，相较于先前对$m_{A'} < 1\,\text{GeV}$及较大的暗 sector耦合常数的约束有显著改进。

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

研究动机与目标

• 在$e^+e^-$碰撞中搜索由暗物质粒子束缚态衰变为三个暗光子的暗onium态。
• 改进标准模型光子与暗光子$A'$之间动能混合参数$\varepsilon$的约束。
• 探索暗光子质量$m_{A'}$在0.001至3.16 GeV之间、暗onium质量$m_{\Upsilon_D}$在0.05至9.5 GeV之间的参数空间。
• 通过为$c\tau_{A'} = 0.1$、1和10 mm分别优化选择标准，考虑信号灵敏度对暗光子寿命$c\tau_{A'}$的依赖性。
• 针对不同的暗 sector耦合常数$\alpha_D$ = 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.1，推导出模型无关的$\varepsilon$上限。

提出的方法

• 针对三种暗光子寿命（$c\tau_{A'} = 0.1$、1和10 mm）分别优化事件选择，依据重建的衰变拓扑结构和顶点位移。
• 为每个$c\tau_{A'}$值训练机器学习分类器，以更好地区分信号事件与背景事件，提升整个寿命范围内的灵敏度。
• 在每个经$c\tau_{A'}$优化的数据样本上独立执行信号提取，背景贡献通过控制区域进行估计。
• 针对每个$c\tau_{A'}$和$m_{A'}$质量区间，在90%置信水平（CL）下推导出产额截面的上限。
• 采用迭代程序，考虑暗光子寿命对动能混合$\varepsilon$的依赖性，在每一步更新极限，直至收敛。
• 针对$\alpha_D = 0.5$推导出$\varepsilon^2$的极限，其余$\alpha_D$值的结果见补充材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在$e^+e^-$碰撞中通过衰变为三个暗光子的方式产生并探测到由暗物质粒子束缚态构成的暗onium态？
• RQ2 在广泛的$m_{A'}$和$m_{\Upsilon_D}$范围内，标准模型光子与暗光子$A'$之间动能混合参数$\varepsilon$的灵敏度极限是什么？
• RQ3 该搜索的灵敏度如何随暗光子寿命$c\tau_{A'}$变化？是否可通过机器学习实现优化？
• RQ4 与现有约束相比，本研究结果在$m_{A'} < 1\,\text{GeV}$及大$\alpha_D$区域的表现如何？
• RQ5 暗 sector耦合常数$\alpha_D$对灵敏度及$\varepsilon$上限的影响是什么？

主要发现

• 在所有经$c\tau_{A'}$优化的数据样本中均未观测到显著信号，分别选取得56、33和31个事件，对应$c\tau_{A'} = 0.1$、1和10 mm。
• 研究在$m_{A'} < 1\,\text{GeV}$的大部分参数空间中，将动能混合参数$\varepsilon$的90%置信水平上限降低至$5 \times 10^{-5}$。
• 对于$\alpha_D = 0.5$，推导出$\varepsilon^2$随$m_{\Upsilon_D}$和$m_{A'}$变化的极限，其中低$m_{A'}$和中等$m_{\Upsilon_D}$区域的约束最强。
• 研究结果优于现有约束，尤其在$m_{A'} < 1\,\text{GeV}$及大$\alpha_D$区域。
• 用于考虑极限计算中寿命依赖效应的迭代程序，确保了在不同$\varepsilon$和$c\tau_{A'}$值下的稳健性与一致性。
• 补充材料中提供了$\alpha_D = 0.1$、0.3、0.7、0.9和1.1的约束结果，显示在所探索区域内系统性地优于先前的限制。