First Search for Dark-Trident Processes Using the MicroBooNE Detector
Authors: Abratenko P. , Alterkait O. , Andrade Aldana D. , Arellano L. , Asaadi J. , Ashkenazi A. , Balasubramanian S. , Baller B. , Barr G. , Barrow D. , Barrow J. , Basque V. , Benevides Rodrigues O. , Berkman S. , Bhanderi A. , Bhat A. , Bhattacharya M. , Bishai M. , Blake A. , Bogart B. , Bolton T. , Book J. Y. , Brunetti M. B. , Camilleri L. , Cao Y. , Caratelli D. , Cavanna F. , Cerati G. , Chappell A. , Chen Y. , Conrad J. M. , Convery M. , Cooper-Troendle L. , Crespo-Anadón J. I. , Cross R. , Del Tutto M. , Dennis S. R. , Detje P. , Devitt A. , Diurba R. , Djurcic Z. , Dorrill R. , Duffy K. , Dytman S. , Eberly B. , Englezos P. , Ereditato A. , Evans J. J. , Fine R. , Finnerud O. G. , Foreman W. , Fleming B. T. , Franco D. , Furmanski A. P. , Gao F. , Garcia-Gamez D. , Gardiner S. , Ge G. , Gollapinni S. , Gramellini E. , Green P. , Greenlee H. , Gu L. , Gu W. , Guenette R. , Guzowski P. , Hagaman L. , Hen O. , Hilgenberg C. , Horton-Smith G. A. , Imani Z. , Irwin B. , Ismail M. S. , James C. , Ji X. , Jo J. H. , Johnson R. A. , Jwa Y.-J. , Kalra D. , Kamp N. , Karagiorgi G. , Ketchum W. , Kirby M. , Kobilarcik T. , Kreslo I. , Leibovitch M. B. , Lepetic I. , Li J.-Y. , Li K. , Li Y. , Lin K. , Littlejohn B. R. , Liu H. , Louis W. C. , Luo X. , Mariani C. , Marsden D. , Marshall J. , Martinez N. , Martinez Caicedo D. A. , Martynenko S. , Mastbaum A. , Mawby I. , McConkey N. , Meddage V. , Micallef J. , Miller K. , Mogan A. , Mohayai T. , Mooney M. , Moor A. F. , Moore C. D. , Mora Lepin L. , Moudgalya M. M. , Mulleriababu S. , Naples D. , Navrer-Agasson A. , Nayak N. , Nebot-Guinot M. , Nowak J. , Oza N. , Palamara O. , Pallat N. , Paolone V. , Papadopoulou A. , Papavassiliou V. , Parkinson H. B. , Pate S. F. , Patel N. , Pavlovic Z. , Piasetzky E. , Pophale I. , Qian X. , Raaf J. L. , Radeka V. , Rafique A. , Reggiani-Guzzo M. , Ren L. , Rochester L. , Rodriguez Rondon J. , Rosenberg M. , Ross-Lonergan M. , Rudolf von Rohr C. , Safa I. , Scanavini G. , Schmitz D. W. , Schukraft A. , Seligman W. , Shaevitz M. H. , Sharankova R. , Shi J. , Snider E. L. , Soderberg M. , Söldner-Rembold S. , Spitz J. , Stancari M. , John J. St. , Strauss T. , Szelc A. M. , Tang W. , Taniuchi N. , Terao K. , Thorpe C. , Torbunov D. , Totani D. , Toups M. , Tsai Y.-T. , Tyler J. , Uchida M. A. , Usher T. , Viren B. , Weber M. , Wei H. , White A. J. , Wolbers S. , Wongjirad T. , Wospakrik M. , Wresilo K. , Wu W. , Yandel E. , Yang T. , Yates L. E. , Yu H. W. , Zeller G. P. , Zennamo J. , Zhang C. ,   MicroBooNE Collaboration
Published: June 2024

We present a first search for dark-trident scattering in a neutrino beam using a dataset corresponding to 7.2×1020 protons on target taken with the MicroBooNE detector at Fermilab. Proton interactions in the neutrino target at the main injector produce π0 and η mesons, which could decay into dark-matter (DM) particles mediated via a dark photon A′. A convolutional neural network is trained to identify interactions of the DM particles in the liquid-argon time projection chamber (LArTPC) exploiting its imagelike reconstruction capability. In the absence of a DM signal, we provide limits at the 90% confidence level on the squared kinematic mixing parameter ϵ2 as a function of the dark-photon mass in the range 10≤MA′≤400  MeV. The limits cover previously unconstrained parameter space for the production of fermion or scalar DM particles χ for two benchmark models with mass ratios Mχ/MA′=0.6 and 2 and for dark fine-structure constants 0.1≤αD≤1.

Published by the American Physical Society
2024