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, 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.; 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.; Heredia De La Cruz, I.; 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.; 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.; 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.; 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.; 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.; 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.; Žlebčík, R.; Null, Null

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, 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.; 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.; Heredia De La Cruz, I.; 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.; 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.; 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.; Null, Null. - In: PHYSICAL REVIEW LETTERS. - ISSN 0031-9007. - 135:13(2025), pp. 131801.1-131801.10. [10.1103/37w5-glpp]