Search for a Dark Higgs Boson Produced in Association with Inelastic Dark Matter at the Belle II Experiment

Adachi, I.; Aggarwal, L.; Ahmed, H.; Aihara, H.; Akopov, N.; Alghamdi, S.; Alhakami, M.; Aloisio, A.; Althubiti, N.; Amos, K.; Angelsmark, M.; Anh Ky, N.; Antonioli, C.; Asner, D. M.; Atmacan, H.; Aushev, V.; Aversano, M.; Ayad, R.; Babu, V.; Baghel, N. K.; Bahinipati, S.; Bambade, P.; Banerjee, S.; Bansal, S.; Barrett, M.; Bartl, M.; Baudot, J.; Baur, A.; Beaubien, A.; Becherer, F.; Becker, J.; Bennett, J. V.; Bernlochner, F. U.; Bertacchi, V.; Bertemes, M.; Bertholet, E.; Bessner, M.; Bettarini, S.; Bhuyan, B.; Bianchi, F.; Bilka, T.; Biswas, D.; Bobrov, A.; Bodrov, D.; Bolz, A.; Bondar, A.; Bonvicini, G.; Borah, J.; Boschetti, A.; Bozek, A.; Bracko, M.; Branchini, P.; Browder, T. E.; Budano, A.; Bussino, S.; Campagna, Q.; Campajola, M.; Cao, L.; Casarosa, G.; Cecchi, C.; Cerasoli, J.; Chang, M. -C.; Cheaib, R.; Cheema, P.; Chen, Y. -T.; Cheon, B. G.; Chilikin, K.; Chin, J.; Chirapatpimol, K.; Cho, H. -E.; Cho, K.; Cho, S. -J.; Choi, S. -K.; Choudhury, S.; Cochran, J.; Consigny, I.; Corona, L.; Cui, J. X.; De La Cruz-Burelo, E.; De La Motte, S. A.; De Marino, G.; De Nardo, G.; De Pietro, G.; De Sangro, R.; Destefanis, M.; Dey, S.; Di Canto, A.; Di Capua, F.; Dingfelder, J.; Dolezal, Z.; Dominguez Jimenez, I.; Dong, T. V.; Dong, X.; Dorigo, M.; Dossett, D.; Dugic, K.; Dujany, G.; Ecker, P.; Eppelt, J.; Feichtinger, P.; Ferber, T.; Fillinger, T.; Finck, C.; Finocchiaro, G.; Fodor, A.; Forti, F.; Fulsom, B. G.; Gabrielli, A.; Gale, A.; Ganiev, E.; Garcia-Hernandez, M.; Garg, R.; Gaudino, G.; Gaur, V.; Gautam, V.; Gaz, A.; Gellrich, A.; Ghevondyan, G.; Ghosh, D.; Ghumaryan, H.; Giakoustidis, G.; Giordano, R.; Giri, A.; Gironella Gironell, P.; Glazov, A.; Gobbo, B.; Godang, R.; Gogota, O.; Goldenzweig, P.; Gradl, W.; Graziani, E.; Greenwald, D.; Gruberova, Z.; Guan, Y.; Gudkova, K.; Haide, I.; Han, Y.; Hara, T.; Harris, C.; Hayasaka, K.; Hayashii, H.; Hazra, S.; Hearty, C.; Hedges, M. T.; Heidelbach, A.; Heredia De La Cruz, I.; Hernandez Villanueva, M.; Higuchi, T.; Hoek, M.; Hohmann, M.; Hoppe, R.; Horak, P.; Hsu, C. -L.; Humair, T.; Iijima, T.; Inami, K.; Inguglia, G.; Ipsita, N.; Ishikawa, A.; Itoh, R.; Iwasaki, M.; Jackson, P.; Jacobi, D.; Jacobs, W. W.; Jang, E. -J.; Q. P., Ji; Jia, S.; Jin, Y.; Johnson, A.; Joo, K. K.; Junkerkalefeld, H.; Kaliyar, A. B.; Kandra, J.; Kang, K. H.; Karyan, G.; Kawasaki, T.; Keil, F.; Ketter, C.; Kiesling, C.; Kim, C. -H.; Kim, D. Y.; Kim, J. -Y.; Kim, K. -H.; Kim, Y. J.; Kim, Y. -K.; Kindo, H.; Kinoshita, K.; Kodys, P.; Koga, T.; Kohani, S.; Kojima, K.; Korobov, A.; Korpar, S.; Kovalenko, E.; Kowalewski, R.; Krizan, P.; Krokovny, P.; Kuhr, T.; Kulii, Y.; Kumar, D.; Kumar, R.; Kumara, K.; Kunigo, T.; Kuzmin, A.; Kwon, Y. -J.; Lacaprara, S.; Lalwani, K.; Lam, T.; Lanceri, L.; Lange, J. S.; Lau, T. S.; Laurenza, M.; Leboucher, R.; Le Diberder, F. R.; Lee, M. J.; Lemettais, C.; Leo, P.; H. -J., Li; L. K., Li; Q. M., Li; W. Z., Li; Li, Y.; Y. B., Li; Liao, Y. P.; Libby, J.; Lin, J.; Lin, S.; Liu, M. H.; Liu, Q. Y.; Liu, Y.; Liu, Z. Q.; Liventsev, D.; Longo, S.; Lueck, T.; Luo, T.; Lyu, C.; Ma, Y.; Madaan, C.; Maggiora, M.; Maharana, S. P.; Maiti, R.; Mancinelli, G.; Manfredi, R.; Manoni, E.; Mantovano, M.; Marcantonio, D.; Marcello, S.; Marinas, C.; Martellini, C.; Martens, A.; Martini, A.; Martinov, T.; Massaccesi, L.; Masuda, M.; Matsuoka, K.; Matvienko, D.; Maurya, S. K.; Maushart, M.; Mckenna, J. A.; Mehta, R.; Meier, F.; Meleshko, D.; Merola, M.; Miller, C.; Mirra, M.; Mitra, S.; Miyabayashi, K.; Miyake, H.; Mizuk, R.; Mohanty, G. B.; Mondal, S.; Moneta, S.; Moreira De Carvalho, A. L.; Moser, H. -G.; Mussa, R.; Nakamura, I.; Nakao, M.; Nakazawa, H.; Nakazawa, Y.; Naruki, M.; Natkaniec, Z.; Natochii, A.; Nayak, M.; Nazaryan, G.; Neu, M.; Nishida, S.; Ogawa, S.; Okubo, R.; Ono, H.; Onuki, Y.; Pakhlova, G.; Pardi, S.; Parham, K.; Park, H.; Park, J.; Park, K.; Park, S. -H.; Paschen, B.; Passeri, A.; Patra, S.; Paul, S.; Pedlar, T. K.; Peruzzi, I.; Peschke, R.; Pestotnik, R.; Piccolo, M.; Piilonen, L. E.; Podesta-Lerma, P. L. M.; Podobnik, T.; Pokharel, S.; Prakash, A.; Praz, C.; Prell, S.; Prencipe, E.; Prim, M. T.; Privalov, S.; Prudiiev, I.; Purwar, H.; Rados, P.; Raeuber, G.; Raiz, S.; Ravindran, K.; Rehman, J. U.; Reif, M.; Reiter, S.; Remnev, M.; Reuter, L.; Ricalde Herrmann, D.; Ripp-Baudot, I.; Rizzo, G.; Robertson, S. H.; Roehrken, M.; Roney, J. M.; Rostomyan, A.; Rout, N.; Salutari, L.; Sanders, D. A.; Sandilya, S.; Santelj, L.; Savinov, V.; Scavino, B.; Schmitz, J.; Schneider, S.; Schnepf, M.; Schwanda, C.; Seino, Y.; Selce, A.; Senyo, K.; Serrano, J.; Sevior, M. E.; Sfienti, C.; Shan, W.; Sharma, G.; Shen, C. P.; Shi, X. D.; Shillington, T.; Shimasaki, T.; Shiu, J. -G.; Shtol, D.; Shwartz, B.; Sibidanov, A.; Simon, F.; Singh, J. B.; Skorupa, J.; Sobie, R. J.; Sobotzik, M.; Soffer, A.; Sokolov, A.; Solovieva, E.; Song, W.; Spataro, S.; Spruck, B.; Staric, M.; Stavroulakis, P.; Stefkova, S.; Stroili, R.; Strube, J.; Sue, Y.; Sumihama, M.; Sumisawa, K.; Suwonjandee, N.; Svidras, H.; Takahashi, M.; Takizawa, M.; Tamponi, U.; Tanida, K.; Tenchini, F.; Thaller, A.; Tittel, O.; Tiwary, R.; Torassa, E.; Trabelsi, K.; Tsaklidis, I.; Uchida, M.; Ueda, I.; Uglov, T.; Unger, K.; Unno, Y.; Uno, K.; Uno, S.; Urquijo, P.; Ushiroda, Y.; Vahsen, S. E.; Van Tonder, R.; Varvell, K. E.; Veronesi, M.; Vinokurova, A.; Vismaya, V. S.; Vitale, L.; Vobbilisetti, V.; Volpe, R.; Vossen, A.; Wakai, M.; Wallner, S.; Wang, M. -Z.; Warburton, A.; Watanabe, M.; Watanuki, S.; Wessel, C.; Won, E.; X. P., Xu; Yabsley, B. D.; Yamada, S.; Yan, W.; Yan, W. C.; Yang, S. B.; Yelton, J.; Yin, J. H.; Yoshihara, K.; Yuan, J.; Zani, L.; Zeng, F.; Zeyrek, M.; Zhang, B.; Zhilich, V.; Zhou, J. S.; Zhou, Q. D.; Zhu, L.; Zlebcik, R.

doi:10.1103/37w5-glpp

Inelastic dark matter models that have two dark matter particles and a massive dark photon can reproduce the observed relic dark matter density without violating cosmological limits. The mass splitting between the two dark matter particles χ1 and χ2, with m(χ2)>m(χ1), is induced by a dark Higgs field and a corresponding dark Higgs boson h′. We present a search for dark matter in events with two vertices, at least one of which must be displaced from the interaction region, and missing energy. Using a 365 fb-1 data sample collected at Belle II, which operates at the SuperKEKB e+e- collider, we observe no evidence for a signal. We set upper limits on the product of the production cross section σ(e+e-→h′χ1χ2), and the product of branching fractions B(χ2→χ1e+e-)×B(h′→x+x-), where x+x- indicates μ+μ-,π+π-, or K+K-, as functions of h′ mass and lifetime at the level of 10-1 fb. We set model-dependent upper limits on the dark Higgs mixing angle at the level of 10-5 and on the dark photon kinetic mixing parameter at the level of 10-3. This is the first search for dark Higgs bosons in association with inelastic dark matter.

Search for a Dark Higgs Boson Produced in Association with Inelastic Dark Matter at the Belle II Experiment / Adachi, I.; Aggarwal, L.; Ahmed, H.; Aihara, H.; Akopov, N.; Alghamdi, S.; Alhakami, M.; Aloisio, A.; Althubiti, N.; Amos, K.; Angelsmark, M.; Anh Ky, N.; Antonioli, C.; Asner, D. M.; Atmacan, H.; Aushev, V.; Aversano, M.; Ayad, R.; Babu, V.; Baghel, N. K.; Bahinipati, S.; Bambade, P.; Banerjee, S.; Bansal, S.; Barrett, M.; Bartl, M.; Baudot, J.; Baur, A.; Beaubien, A.; Becherer, F.; Becker, J.; Bennett, J. V.; Bernlochner, F. U.; Bertacchi, V.; Bertemes, M.; Bertholet, E.; Bessner, M.; Bettarini, S.; Bhuyan, B.; Bianchi, F.; Bilka, T.; Biswas, D.; Bobrov, A.; Bodrov, D.; Bolz, A.; Bondar, A.; Bonvicini, G.; Borah, J.; Boschetti, A.; Bozek, A.; Bracko, M.; Branchini, P.; Browder, T. E.; Budano, A.; Bussino, S.; Campagna, Q.; Campajola, M.; Cao, L.; Casarosa, G.; Cecchi, C.; Cerasoli, J.; Chang, M. -C.; Cheaib, R.; Cheema, P.; Chen, Y. -T.; Cheon, B. G.; Chilikin, K.; Chin, J.; Chirapatpimol, K.; Cho, H. -E.; Cho, K.; Cho, S. -J.; Choi, S. -K.; Choudhury, S.; Cochran, J.; Consigny, I.; Corona, L.; Cui, J. X.; De La Cruz-Burelo, E.; De La Motte, S. A.; De Marino, G.; De Nardo, G.; De Pietro, G.; De Sangro, R.; Destefanis, M.; Dey, S.; Di Canto, A.; Di Capua, F.; Dingfelder, J.; Dolezal, Z.; Dominguez Jimenez, I.; Dong, T. V.; Dong, X.; Dorigo, M.; Dossett, D.; Dugic, K.; Dujany, G.; Ecker, P.; Eppelt, J.; Feichtinger, P.; Ferber, T.; Fillinger, T.; Finck, C.; Finocchiaro, G.; Fodor, A.; Forti, F.; Fulsom, B. G.; Gabrielli, A.; Gale, A.; Ganiev, E.; Garcia-Hernandez, M.; Garg, R.; Gaudino, G.; Gaur, V.; Gautam, V.; Gaz, A.; Gellrich, A.; Ghevondyan, G.; Ghosh, D.; Ghumaryan, H.; Giakoustidis, G.; Giordano, R.; Giri, A.; Gironella Gironell, P.; Glazov, A.; Gobbo, B.; Godang, R.; Gogota, O.; Goldenzweig, P.; Gradl, W.; Graziani, E.; Greenwald, D.; Gruberova, Z.; Guan, Y.; Gudkova, K.; Haide, I.; Han, Y.; Hara, T.; Harris, C.; Hayasaka, K.; Hayashii, H.; Hazra, S.; Hearty, C.; Hedges, M. T.; Heidelbach, A.; Heredia De La Cruz, I.; Hernandez Villanueva, M.; Higuchi, T.; Hoek, M.; Hohmann, M.; Hoppe, R.; Horak, P.; Hsu, C. -L.; Humair, T.; Iijima, T.; Inami, K.; Inguglia, G.; Ipsita, N.; Ishikawa, A.; Itoh, R.; Iwasaki, M.; Jackson, P.; Jacobi, D.; Jacobs, W. W.; Jang, E. -J.; Ji, Q. P.; Jia, S.; Jin, Y.; Johnson, A.; Joo, K. K.; Junkerkalefeld, H.; Kaliyar, A. B.; Kandra, J.; Kang, K. H.; Karyan, G.; Kawasaki, T.; Keil, F.; Ketter, C.; Kiesling, C.; Kim, C. -H.; Kim, D. Y.; Kim, J. -Y.; Kim, K. -H.; Kim, Y. J.; Kim, Y. -K.; Kindo, H.; Kinoshita, K.; Kodys, P.; Koga, T.; Kohani, S.; Kojima, K.; Korobov, A.; Korpar, S.; Kovalenko, E.; Kowalewski, R.; Krizan, P.; Krokovny, P.; Kuhr, T.; Kulii, Y.; Kumar, D.; Kumar, R.; Kumara, K.; Kunigo, T.; Kuzmin, A.; Kwon, Y. -J.; Lacaprara, S.; Lalwani, K.; Lam, T.; Lanceri, L.; Lange, J. S.; Lau, T. S.; Laurenza, M.; Leboucher, R.; Le Diberder, F. R.; Lee, M. J.; Lemettais, C.; Leo, P.; Li, H. -J.; Li, L. K.; Li, Q. M.; Li, W. Z.; Li, Y.; Li, Y. B.; Liao, Y. P.; Libby, J.; Lin, J.; Lin, S.; Liu, M. H.; Liu, Q. Y.; Liu, Y.; Liu, Z. Q.; Liventsev, D.; Longo, S.; Lueck, T.; Luo, T.; Lyu, C.; Ma, Y.; Madaan, C.; Maggiora, M.; Maharana, S. P.; Maiti, R.; Mancinelli, G.; Manfredi, R.; Manoni, E.; Mantovano, M.; Marcantonio, D.; Marcello, S.; Marinas, C.; Martellini, C.; Martens, A.; Martini, A.; Martinov, T.; Massaccesi, L.; Masuda, M.; Matsuoka, K.; Matvienko, D.; Maurya, S. K.; Maushart, M.; Mckenna, J. A.; Mehta, R.; Meier, F.; Meleshko, D.; Merola, M.; Miller, C.; Mirra, M.; Mitra, S.; Miyabayashi, K.; Miyake, H.; Mizuk, R.; Mohanty, G. B.; Mondal, S.; Moneta, S.; Moreira De Carvalho, A. L.; Moser, H. -G.; Mussa, R.; Nakamura, I.; Nakao, M.; Nakazawa, H.; Nakazawa, Y.; Naruki, M.; Natkaniec, Z.; Natochii, A.; Nayak, M.; Nazaryan, G.; Neu, M.; Nishida, S.; Ogawa, S.; Okubo, R.; Ono, H.; Onuki, Y.; Pakhlova, G.; Pardi, S.; Parham, K.; Park, H.; Park, J.; Park, K.; Park, S. -H.; Paschen, B.; Passeri, A.; Patra, S.; Paul, S.; Pedlar, T. K.; Peruzzi, I.; Peschke, R.; Pestotnik, R.; Piccolo, M.; Piilonen, L. E.; Podesta-Lerma, P. L. M.; Podobnik, T.; Pokharel, S.; Prakash, A.; Praz, C.; Prell, S.; Prencipe, E.; Prim, M. T.; Privalov, S.; Prudiiev, I.; Purwar, H.; Rados, P.; Raeuber, G.; Raiz, S.; Ravindran, K.; Rehman, J. U.; Reif, M.; Reiter, S.; Remnev, M.; Reuter, L.; Ricalde Herrmann, D.; Ripp-Baudot, I.; Rizzo, G.; Robertson, S. H.; Roehrken, M.; Roney, J. M.; Rostomyan, A.; Rout, N.; Salutari, L.; Sanders, D. A.; Sandilya, S.; Santelj, L.; Savinov, V.; Scavino, B.; Schmitz, J.; Schneider, S.; Schnepf, M.; Schwanda, C.; Seino, Y.; Selce, A.; Senyo, K.; Serrano, J.; Sevior, M. E.; Sfienti, C.; Shan, W.; Sharma, G.; Shen, C. P.; Shi, X. D.; Shillington, T.; Shimasaki, T.; Shiu, J. -G.; Shtol, D.; Shwartz, B.; Sibidanov, A.; Simon, F.; Singh, J. B.; Skorupa, J.; Sobie, R. J.; Sobotzik, M.; Soffer, A.; Sokolov, A.; Solovieva, E.; Song, W.; Spataro, S.; Spruck, B.; Staric, M.; Stavroulakis, P.; Stefkova, S.; Stroili, R.; Strube, J.; Sue, Y.; Sumihama, M.; Sumisawa, K.; Suwonjandee, N.; Svidras, H.; Takahashi, M.; Takizawa, M.; Tamponi, U.; Tanida, K.; Tenchini, F.; Thaller, A.; Tittel, O.; Tiwary, R.; Torassa, E.; Trabelsi, K.; Tsaklidis, I.; Uchida, M.; Ueda, I.; Uglov, T.; Unger, K.; Unno, Y.; Uno, K.; Uno, S.; Urquijo, P.; Ushiroda, Y.; Vahsen, S. E.; Van Tonder, R.; Varvell, K. E.; Veronesi, M.; Vinokurova, A.; Vismaya, V. S.; Vitale, L.; Vobbilisetti, V.; Volpe, R.; Vossen, A.; Wakai, M.; Wallner, S.; Wang, M. -Z.; Warburton, A.; Watanabe, M.; Watanuki, S.; Wessel, C.; Won, E.; Xu, X. P.; Yabsley, B. D.; Yamada, S.; Yan, W.; Yan, W. C.; Yang, S. B.; Yelton, J.; Yin, J. H.; Yoshihara, K.; Yuan, J.; Zani, L.; Zeng, F.; Zeyrek, M.; Zhang, B.; Zhilich, V.; Zhou, J. S.; Zhou, Q. D.; Zhu, L.; Zlebcik, R.. - In: PHYSICAL REVIEW LETTERS. - ISSN 0031-9007. - 135:13(2025). [10.1103/37w5-glpp]