학술논문
Search for the dark photon in $B^0 \to A^{\prime} A^{\prime}$, $A^{\prime} \to e^+ e^-$, $\mu^+ \mu^-$, and $\pi^+ \pi^-$ decays at Belle
Document Type
Working Paper
Author
Park, S. -H.; Kwon, Y. -J.; Adachi, I.; Aihara, H.; Said, S. Al; Asner, D. M.; Atmacan, H.; Aushev, T.; Ayad, R.; Babu, V.; Behera, P.; Bennett, J.; Bessner, M.; Bhardwaj, V.; Bhuyan, B.; Bilka, T.; Biswal, J.; Bonvicini, G.; Bozek, A.; Bračko, M.; Browder, T. E.; Campajola, M.; Cao, L.; Červenkov, D.; Chang, M. -C.; Chang, P.; Chen, A.; Cheon, B. G.; Chilikin, K.; Cho, H. E.; Cho, K.; Cho, S. -J.; Choi, S. -K.; Choi, Y.; Choudhury, S.; Cinabro, D.; Cunliffe, S.; Das, S.; Dash, N.; De Nardo, G.; Di Capua, F.; Dingfelder, J.; Doležal, Z.; Dong, T. V.; Eidelman, S.; Epifanov, D.; Ferlewicz, D.; Fulsom, B. G.; Garg, R.; Gaur, V.; Garmash, A.; Giri, A.; Goldenzweig, P.; Guan, Y.; Gudkova, K.; Hadjivasiliou, C.; Hara, T.; Hartbrich, O.; Hayasaka, K.; Hayashii, H.; Hedges, M. T.; Villanueva, M. Hernandez; Hou, W. -S.; Hsu, C. -L.; Huang, K.; Iijima, T.; Inami, K.; Inguglia, G.; Ishikawa, A.; Itoh, R.; Iwasaki, M.; Iwasaki, Y.; Jacobs, W. W.; Jaegle, I.; Jang, E. -J.; Jeon, H. B.; Jia, S.; Jin, Y.; Joo, C. W.; Joo, K. K.; Kang, K. H.; Karyan, G.; Kawasaki, T.; Kiesling, C.; Kim, D. Y.; Kim, K. -H.; Kim, S. H.; Kim, Y. -K.; Kinoshita, K.; Kodyš, P.; Konno, T.; Korpar, S.; Kotchetkov, D.; Križan, P.; Kroeger, R.; Krokovny, P.; Kuhr, T.; Kumar, M.; Kumara, K.; Lalwani, K.; Lee, I. S.; Lee, S. C.; Li, C. H.; Li, J.; Li, L. K.; Li, Y. B.; Gioi, L. Li; Libby, J.; Lieret, K.; Liptak, Z.; Liventsev, D.; Luo, T.; MacNaughton, J.; MacQueen, C.; Masuda, M.; Matsuda, T.; Matvienko, D.; Merola, M.; Metzner, F.; Miyabayashi, K.; Mizuk, R.; Mohanty, G. B.; Mohanty, S.; Mori, T.; Moser, H. -G.; Mrvar, M.; Mussa, R.; Nakao, M.; Natkaniec, Z.; Natochii, A.; Nayak, L.; Nayak, M.; Niiyama, M.; Nisar, N. K.; Nishida, S.; Ogawa, S.; Ono, H.; Onuki, Y.; Oskin, P.; Pakhlov, P.; Pakhlova, G.; Pardi, S.; Park, C. W.; Park, H.; Patra, S.; Paul, S.; Pedlar, T. K.; Pestotnik, R.; Piilonen, L. E.; Podobnik, T.; Popov, V.; Prencipe, E.; Prim, M. T.; Ritter, M.; Röhrken, M.; Rostomyan, A.; Rout, N.; Russo, G.; Sakai, Y.; Sandilya, S.; Sangal, A.; Santelj, L.; Sanuki, T.; Savinov, V.; Schnell, G.; Schueler, J.; Schwanda, C.; Seino, Y.; Senyo, K.; Sevior, M. E.; Shapkin, M.; Sharma, C.; Shen, C. P.; Shiu, J. -G.; Sokolov, A.; Solovieva, E.; Stanič, S.; Starič, M.; Stottler, Z. S.; Strube, J. F.; Sumihama, M.; Sumisawa, K.; Sumiyoshi, T.; Sutcliffe, W.; Takizawa, M.; Tanida, K.; Tenchini, F.; Uchida, M.; Uglov, T.; Unno, Y.; Uno, S.; Urquijo, P.; Vahsen, S. E.; Van Tonder, R.; Varner, G.; Varvell, K. E.; Vinokurova, A.; Vorobyev, V.; Waheed, E.; Wang, C. H.; Wang, E.; Wang, M. -Z.; Wang, P.; Watanabe, M.; Watanuki, S.; Wehle, S.; Won, E.; Xu, X.; Yabsley, B. D.; Yan, W.; Yang, S. B.; Ye, H.; Yelton, J.; Yin, J. H.; Yusa, Y.; Zhang, Z. P.; Zhilich, V.; Zhukova, V.; Zhulanov, V.
Source
JHEP 04 (2021) 191
Subject
Language
Abstract
We present a search for the dark photon $A^{\prime}$ in the $B^0 \to A^{\prime} A^{\prime}$ decays, where $A^{\prime}$ subsequently decays to $e^+ e^-$, $\mu^+ \mu^-$, and $\pi^+ \pi^-$. The search is performed by analyzing $772 \times 10^6$ $B\overline{B}$ events collected by the Belle detector at the KEKB $e^+ e^-$ energy-asymmetric collider at the $\Upsilon (4S)$ resonance. No signal is found in the dark photon mass range $0.01~\mathrm{GeV}/c^2 \le m_{A^{\prime}} \le 2.62~\mathrm{GeV}/c^2$, and we set upper limits of the branching fraction of $B^0 \to A^{\prime} A^{\prime}$ at the 90\% confidence level. The products of branching fractions, $\mathcal{B}(B^0 \to A^{\prime} A^{\prime}) \times \mathcal{B}(A^{\prime} \to e^+ e^-)^2$ and $\mathcal{B}(B^0 \to A^{\prime} A^{\prime}) \times \mathcal{B}(A^{\prime} \to \mu^+ \mu^-)^2$, have limits of the order of $10^{-8}$ depending on the $A^{\prime}$ mass. Furthermore, considering $A^{\prime}$ decay rate to each pair of charged particles, the upper limits of $\mathcal{B}(B^0 \to A^{\prime} A^{\prime})$ are of the order of $10^{-8}$-$10^{-5}$. From the upper limits of $\mathcal{B}(B^0 \to A^{\prime} A^{\prime})$, we obtain the Higgs portal coupling for each assumed dark photon and dark Higgs mass. The Higgs portal couplings are of the order of $10^{-2}$-$10^{-1}$ at $m_{h'} \simeq m_{B^0} \pm 40~\mathrm{MeV}/c^2$ and $10^{-1}$-$1$ at $m_{h'} \simeq m_{B^0} \pm 3~\mathrm{GeV}/c^2$.
Comment: 15 pages, 7 figures
Comment: 15 pages, 7 figures