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
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Résumé
We present a search for the dark photon A′ in the B$^{0}$ → A′A′ decays, where A′ subsequently decays to e$^{+}$e$^{−}$, μ$^{+}$μ$^{−}$, and π$^{+}$π$^{−}$. The search is performed by analyzing 772 × 10$^{6} B\overline{B} $ events collected by the Belle detector at the KEKB e$^{+}$e$^{−}$ energy-asymmetric collider at the ϒ(4S) resonance. No signal is found in the dark photon mass range 0.01 GeV/c$^{2}$ ≤ m$_{A′}$ ≤ 2.62 GeV/c$^{2}$, and we set upper limits of the branching fraction of B$^{0}$ → A′A′ at the 90% confidence level. The products of branching fractions, $ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to A^{\prime }A^{\prime}\right)\times \mathrm{\mathcal{B}}{\left(A\prime \to {e}^{+}{e}^{-}\right)}^2 $ and $ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to A^{\prime }A^{\prime}\right)\times \mathrm{\mathcal{B}}{\left(A\prime \to {\mu}^{+}{\mu}^{-}\right)}^2 $, have limits of the order of 10$^{−8}$ depending on the A′ mass. Furthermore, considering A′ decay rate to each pair of charged particles, the upper limits of $ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to A^{\prime }A^{\prime}\right) $ are of the order of 10$^{−8}$–10$^{−5}$. From the upper limits of $ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to A^{\prime }A^{\prime}\right) $, we obtain the Higgs portal coupling for each assumed dark photon and dark Higgs mass. The Higgs portal couplings are of the order of 10$^{−2}$–10$^{−1}$ at $ {m}_{h\prime}\simeq {m}_{B^0} $ ± 40 MeV/c$^{2}$ and 10$^{−1}$–1 at $ {m}_{h\prime}\simeq {m}_{B^0} $ ± 3 GeV/c$^{2}$.[graphic not available: see fulltext]
Mots clés
B physics
Beyond Standard Model
e+-e- Experiments
Rare decay
electron positron: annihilation
electron positron: colliding beams
B: pair production
B0: decay modes
photon: hidden sector
photon: pair production
photon: decay modes
photon: mass
electron: pair production
muon: pair production
pi: pair production
B0: branching ratio: upper limit
Higgs particle: mass
BELLE
charged particle: pair production
Upsilon(10570): electroproduction
photon: decay rate
KEK-B
experimental results
S029AD2