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Journal Article PUBDB-2025-04289
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Search for a Dark Higgs Boson Produced in Association with Inelastic Dark Matter at the Belle II Experiment

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2025
APS College Park, Md.

Physical review letters 135(13), 131801 () [10.1103/37w5-glpp]
 GO

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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 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.

Classification:

Note: Submitted for publication with Physical Review Letters
Contributing Institute(s):
  1. BELLE II Experiment (BELLE)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. FLAVOUR - Towards the Construction of the Fundamental Theory of Flavour (267104) (267104)
  3. FAIME - Flavour Anomalies with advanced particle Identification MEthods (884719) (884719)
  4. NIOBE - Non-Leptonic Three-Body B Decays: Theory and Phenomenology (700525) (700525)
  5. TAULEPGAMMA - Search for the Lepton Flavour Violating Decay Tau to Lepton + Gamma at the Belle II Experiment (101026516) (101026516)
  6. JENNIFER2 - Japan and Europe Network for Neutrino and Intensity Frontier Experimental Research 2 (822070) (822070)
  7. InterLeptons - A search for new interactions at Belle II using leptons (947006) (947006)
Experiment(s):
  1. KEK: BELLE I/II
Database coverage:
Medline ; SCOAP3 OpenAccess ; Clarivate Analytics Master Journal List ; Current Contents - Electronics and Telecommunications Collection ; Current Contents - Physical, Chemical and Earth Sciences ; Ebsco Academic Search ; Essential Science Indicators ; NationallizenzNationallizenz ; SCOAP3 sponsored Journal ; SCOPUS ; Science Citation Index Expanded ; Web of Science Core Collection
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Search for a dark Higgs boson produced in association with inelastic dark matter at the Belle II experiment
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 Record created 2025-10-09, last modified 2025-10-09
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