发表机构
School of Physics and Astronomy, Sun Yat-sen University; Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Metrology and Sensing, Sun Yat-Sen University（中山大学物理学院; 中山大学广东省量子计量与传感重点实验室）
机构由 AI 辅助整理，请以论文原文为准。AI 中文总结
本研究通过D介子衰变探测轻嗜中微子标量粒子，考虑缺失质量分布后约束减弱，扩展覆盖可提升STCF灵敏度至超越现有界限，并给出完整衰变宽度解析式。
AI 中文摘要
一个轻的嗜中微子标量粒子 $\phi$，主要与中微子耦合，可通过轻子介子衰变在标量质量 $10~\mathrm{MeV}\lesssim m_\phi\lesssim\mathcal{O}(100)~\mathrm{MeV}$ 范围内进行探测。我们研究了在 BESIII 和未来的超级 tau-charm 工厂（STCF）中 $D$ 介子衰变中的嗜中微子标量粒子发射，重点关注 $D_{(s)}^+\to e^+\bar{\nu}_\alpha\phi$ 过程。考虑到实验选定区域内依赖于 $m_\phi$ 的缺失质量平方（$M_{\rm miss}^2$）分布，我们发现由此得到的 $D^+$ 约束比基于积分三体衰变率的先前估计要弱得多。扩展 $M_{\rm miss}^2$ 覆盖范围可提高对较重标量粒子的灵敏度。利用 $M_{\rm miss}^2$ 的完整运动学范围以及 $1~\mathrm{ab}^{-1}$ 的积分亮度，预计 STCF 的灵敏度在 $D^+$ 衰变中对于 $m_\phi\gtrsim 380~\mathrm{MeV}$，以及在 $D_s^+$ 衰变中对于 $m_\phi\gtrsim 310~\mathrm{MeV}$ 将超过现有的 kaon 界限。我们进一步讨论了 $D_{(s)}^+\to\mu^+\bar{\nu}_\alpha\phi$ 的直接搜索及其探测嗜中微子标量粒子的潜力。我们还推导了完整的三体衰变宽度的解析表达式，完全依赖于标量粒子和带电轻子质量，包括其在 $m_\phi\to 0$ 和 $m_\ell\to 0$ 极限下的行为。
英文摘要
A light neutrinophilic scalar $ϕ$, which couples predominantly to neutrinos, can be probed through leptonic meson decays for scalar masses $10~\mathrm{MeV}\lesssim m_ϕ\lesssim\mathcal{O}(100)~\mathrm{MeV}$. We study neutrinophilic-scalar emission in $D$-meson decays at BESIII and the future Super Tau-Charm Facility (STCF), focusing on $D_{(s)}^+\to e^+\barν_αϕ$. Accounting for the $m_ϕ$-dependent missing-mass squared ($M_{\rm miss}^2$) distribution within the experimentally selected region, we find the resulting $D^+$ constraint to be substantially weaker than previous estimates based on the integrated three-body decay rate. Extending the $M_{\rm miss}^2$ coverage provides sensitivity to heavier scalars. With the full kinematic range of $M_{\rm miss}^2$ and an integrated luminosity of $1~\mathrm{ab}^{-1}$, the projected STCF sensitivities surpass the existing kaon bound for $m_ϕ\gtrsim 380~\mathrm{MeV}$ in the $D^+$ decay and $m_ϕ\gtrsim 310~\mathrm{MeV}$ in the $D_s^+$ decay. We further discuss direct searches for $D_{(s)}^+\toμ^+\barν_αϕ$ and their potential for probing the neutrinophilic scalar. A complete analytic expression for the three-body decay width is also derived with full dependence on the scalar and charged-lepton masses, including its behavior in the $m_ϕ\to 0$ and $m_\ell\to 0$ limits.
Comments7 pages, 2 figures
