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

Journal Article · Mon Sep 22 00:00:00 UTC 2025 · Physical Review Letters

DOI: https://doi.org/10.1103/37w5-glpp · OSTI ID:3006453

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, Sw. ; 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. ; Bračko, 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. ; 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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. ; 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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. ; Starič, 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. ; Žlebčík, R.

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′⁡𝜒₁⁢𝜒₂), and the product of branching fractions ℬ⁡(𝜒₂ → 𝜒_1⁢𝑒⁺⁢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.

• Research Organization: Univ. of Hawaii, Honolulu, HI (United States)
• Sponsoring Organization: USDOE Office of Science (SC), High Energy Physics (HEP)
• Grant/Contract Number: AC06-76RL01830; SC0007983; SC0009824; SC0009973; SC0010007; SC0010073; SC0010118; SC0010504; SC0011784; SC0012704; SC0019230; SC0021274; SC0021616; SC0022350; SC0023470
• OSTI ID: 3006453
• Journal Information: Physical Review Letters, Journal Name: Physical Review Letters Journal Issue: 13 Vol. 135; ISSN 0031-9007; ISSN 1079-7114
• Publisher: American Physical Society (APS)Copyright Statement
• Country of Publication: United States
• Language: English