本文研究 Belle II 对 MeV–GeV 质量、与电子强耦合暗物质的探测能力,计算单光子、单簇射和双簇射通道的排除区,表明其可补充直接探测与中微子实验约束。
摘要:
暗物质(DM)中一个与标准模型部分发生强相互作用的小组分,与多种实验观测结果相符。尽管其丰度很小,强相互作用暗物质仍可在暗物质直接探测实验中产生显著信号。我们研究了 Belle II 对质量处于 MeV–GeV 区间并与电子耦合的强相互作用暗物质的灵敏度。通过考虑探测器内暗物质与电子之间的大量相互作用,我们计算了 Belle II 单光子特征的“天花板”;超过该界限后,单光子通道将失去灵敏度,而由暗物质散射导致的可见 ECL 簇射将变得重要。我们研究了强相互作用暗物质的两种 ECL 特征:单簇射通道和双簇射通道。为了进行详细计算并与其他约束进行比较,我们考虑了具有轻媒介子的暗物质模型,因为这类模型自然会产生可观的相互作用截面。我们计算了双簇射、单簇射和单光子通道的排除区域。我们发现,对于媒介子质量 ≳10 MeV 的矢量媒介子情形,Belle II(利用目前已积累的 362 fb⁻¹ 数据)可以排除各种暗物质直接探测和中微子实验约束天花板之上的很大一部分参数空间。对于标量媒介子质量 ≳10 MeV 的情形,与 PBH 相比,Belle II 还对新型轻粒子提供了更优的约束。
英文摘要:
A small component of dark matter (DM) that is strongly interacting with the standard model sector is consistent with various experimental observations. Despite the small abundance, strongly-interacting DM can lead to pronounced signals in DM direct detection experiments. We study Belle II sensitivity on strongly-interacting DM that has a MeV-GeV mass and couples with electrons. By taking into account the substantial interactions between DM and electrons within detectors, we compute the ``ceiling'' of the mono-photon signature at Belle II, beyond which the mono-photon channel loses its sensitivity, and visible ECL clusters due to DM scatterings assume significance. We study two ECL signatures for strongly-interacting DM: the mono-cluster and the di-cluster channels. To carry out detailed calculations and to compare with other constraints, we consider DM models with light mediators, as they naturally lead to sizable interaction cross sections. We compute exclusion regions for the di-cluster, mono-cluster, and mono-photon channels. We find that Belle II (with currently accumulated data of 362 fb$^{-1}$) can rule out a significant portion of the parameter space above the ceilings of the constraints from various DM direct detection and neutrino experiments, for the vector mediator case with mass $\gtrsim 10$ MeV. Belle II also offers superior constraints on new light particles compared to PBH for the scalar mediator with mass $\gtrsim 10$ MeV.
Belle II是Belle实验的重大升级,在日本的$B$工厂SuperKEKB运行。由于SuperKEKB对撞机的设计光度为8 $\;\times\;$ 10 $^{35}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$,大约是KEKB的40倍,Belle II的目标是在8年内收集50 ab $^{-1}$的数据。用于物理分析的第一次数据采集运行已于2018年4月开始,亮度低于用于调试目的的设计亮度。即使使用早期的数据集,具有高达20 fb $^{-1}$的积分亮度,Belle II也可以改善暗区领域的当前结果。在本文中,我们将提出预期的Belle II的不可见衰减的暗光子,类轴子粒子和不可见衰减的$Z^{\prime}$假设$L_μ-L_τ$模型的灵敏度。
在SuperKEKB能量不对称$e^+ e^-$对撞机上进行的Belle II实验是对日本KEK实验室B工厂设施的重大升级。机器的设计光度为$8\times 10^{35}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$,Belle II实验的目标是记录50 ab $^{-1}$的数据,比其前身多50倍。从2018年2月到7月,机器已经完成了调试运行,达到了$5.5\times 10^{33}$ cm $^{-2}$ s $^{-1}$的峰值光度,Belle II已经记录了大约0.5 fb $^{-1}$的数据样本。SuperKEKB已于二零一九年三月开始正式营运。这个早期的数据集与专门设计的触发器已经提供了在GeV质量范围内搜索各种各样的暗扇区粒子的可能性,以补充大型强子对撞机(LHC)和专用的低能实验;这些搜索将受益于积累过程中的更多数据。本次演讲将回顾Belle II的暗区搜索状况,重点关注早期数据的发现潜力,并展示第一批结果。
Searching Dark Photons using displaced vertices at Belle II -- with backgrounds
Institute for Theoretical Physics, Heidelberg University(海德堡大学理论物理研究所);Institute for Mathematics, Astrophysics and Particle Physics, Radboud University(拉德堡德大学数学、天体物理学和粒子物理研究所);Nikhef(荷兰国家核子和亚原子物理研究所)
Dark Matter emission at Belle II and NA62 in Minimal Flavor Violation framework
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati(意大利国家核物理研究所,弗朗卡蒂国家实验室);Asia Pacific Center for Theoretical Physics(亚太理论物理中心);Department of Physics, Pohang University of Science and Technology(浦项科技大学物理系);Department of Physics, Kyushu University(九州大学物理系);CERN, European Organization for Nuclear Research(欧洲核子研究组织(CERN));LAPTh, Université Savoie Mont-Blanc et CNRS(萨瓦蒙布朗大学与法国国家科学研究中心联合理论物理实验室)
Dark Photon Searches with Initial-State Radiation at Fixed-Target Configurations
State Key Laboratory of Dark Matter Physics, Tsung-Dao Lee Institute & School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学物理与天文学院、Tsung-Dao Lee研究院暗物质物理国家重点实验室);Key Laboratory for Particle Astrophysics and Cosmology (MOE) & Shanghai Key Laboratory for Particle Physics and Cosmology, Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学粒子天体物理与宇宙学(教育部)重点实验室、上海粒子物理与宇宙学重点实验室);State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, Institute of Quantum Matter, South China Normal University(华南师范大学量子物质研究所核物理与技术国家重点实验室);Guangdong Basic Research Center of Excellence for Structure and Fundamental Interactions of Matter, Guangdong Provincial Key Laboratory of Nuclear Science(广东省物质结构与基本相互作用卓越基础研究中心、广东省核科学重点实验室);Department of Physics, Nanjing University(南京大学物理学系)
$B_{(s)}\to V M_X$ decays as probes of dark-matter scenarios of Belle II enhancement in $B\to KM_X$ decays
D. V. Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University(莫斯科国立大学 D.V. 斯科别尔钦核物理研究所);Marietta Blau Institute (MBI) for Particle Physics(玛丽埃塔·布劳粒子物理研究所);Joint Institute for Nuclear Research(联合核研究所);Faculty of Physics, University of Vienna(维也纳大学物理学院)
A Unified Dark Matter Explanation for $\boldsymbol{B^+ \!\to K^+ν\barν}$ and the Super-Kamiokande Antineutrino Excess
Institute of Physics, Academia Sinica(中央研究院物理研究所);Division of Liberal Studies, Kangwon National University(江原大学通识学部);Quantum Universe Center, KIAS(韩国高等科学研究院量子宇宙中心)
研究超级神冈和 Belle II 实验结果超出标准模型预期的现象,用具有\(\text{U}(1)_{\textsf{L}_\mu - \textsf{L}_\tau}^{}\)对称性的最简 UV 完备复标量暗物质模型统一解释相关过量现象及暗物质遗迹密度。
Jožef Stefan Institute(约泽夫·斯特凡研究所);Faculty of Mathematics and Physics, University of Ljubljana(卢布尔雅那大学数学物理学院);Instituto de Física Corpuscular, Universitat de Valéncia – Consejo Superior de Investigaciones Científicas(瓦伦西亚大学-西班牙国家科研理事会粒子物理研究所)