Search for a dark Higgs boson produced in association with inelastic dark matter at the Belle II experiment

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

Preprint

PUBDB-2025-01852

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. ; 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. ; 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. ; Doležal, Z. ; Domínguez Jiménez, 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. ; Gruberová, 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. ; de la Cruz, I. H. ; Hernández 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. ; Kodyš, P. ; Koga, T. ; Kohani, S. ; Kojima, K. ; Korobov, A. ; Korpar, S. ; Kovalenko, E. ; Kowalewski, R. ; Križan, 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. ; de Carvalho, A. L. M. ; 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. ; 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. ; Belle-II Collaboration (Collaboration author)DESY*

2025

[10.3204/PUBDB-2025-01852]

This record in other databases:

Please use a persistent id in citations: doi:10.3204/PUBDB-2025-01852

Report No.: Belle II Preprint 2025-015; KEK Preprint 2025-14; arXiv:2505.09705

Abstract: 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 $\chi_{1}$ and $\chi_{2}$, with $m(\chi_{2}) > m(\chi_{1})$, is induced by a dark Higgs field and a corresponding dark Higgs boson $h^{\prime}$. 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 $365\,\mbox{fb}^{-1}$ 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 $\sigma\left(e^+e^- \to h^\prime \chi_1 \chi_2\right)$, and the product of branching fractions $\mathcal{B}\left(\chi_2\to\chi_1 e^+ e^-\right)\times\mathcal{B}\left(h^\prime\to x^+x^-\right)$, where $x^+x^-$ indicates $\mu^+\mu^-, \pi^+\pi^-$, or $K^+K^-$, as functions of $h^{\prime}$ mass and lifetime at the level of $10^{-1}\,\mbox{fb}$. 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.

Note: Submitted for publication with Physical Review Letters

Contributing Institute(s):