Search for the dark photon in B0 → A′A′, A′ → e+e−, μ+μ−, and π+π− decays at Belle
Authors:   The BELLE collaboration, Park S.-H. , Kwon Y.-J. , Adachi I. , Aihara H. , Al Said S. , Asner D. M. , Atmacan H. , Aushev T. , Ayad R. , Babu V. , Behera P. , Bennett J. , Bessner M. , Bhardwaj V. , Bhuyan B. , Bilka T. , Biswal J. , Bonvicini G. , Bozek A. , Bračko M. , Browder T. E. , Campajola M. , Cao L. , Červenkov D. , Chang M.-C. , Chang P. , Chen A. , Cheon B. G. , Chilikin K. , Cho H. E. , Cho K. , Cho S.-J. , Choi S.-K. , Choi Y. , Choudhury S. , Cinabro D. , Cunliffe S. , Das S. , Dash N. , De Nardo G. , Di Capua F. , Dingfelder J. , Doležal Z. , Dong T. V. , Eidelman S. , Epifanov D. , Ferlewicz D. , Fulsom B. G. , Garg R. , Gaur V. , Garmash A. , Giri A. , Goldenzweig P. , Guan Y. , Gudkova K. , Hadjivasiliou C. , Hara T. , Hartbrich O. , Hayasaka K. , Hayashii H. , Hedges M. T. , Hernandez Villanueva M. , Hou W.-S. , Hsu C.-L. , Huang K. , Iijima T. , Inami K. , Inguglia G. , Ishikawa A. , Itoh R. , Iwasaki M. , Iwasaki Y. , Jacobs W. W. , Jaegle I. , Jang E.-J. , Jeon H. B. , Jia S. , Jin Y. , Joo C. W. , Joo K. K. , Kang K. H. , Karyan G. , Kawasaki T. , Kiesling C. , Kim D. Y. , Kim K.-H. , Kim S. H. , Kim Y.-K. , Kinoshita K. , Kodyš P. , Konno T. , Korpar S. , Kotchetkov D. , Križan P. , Kroeger R. , Krokovny P. , Kuhr T. , Kumar M. , Kumara K. , Lalwani K. , Lee I. S. , Lee S. C. , Li C. H. , Li J. , Li L. K. , Li Y. B. , Li Gioi L. , Libby J. , Lieret K. , Liptak Z. , Liventsev D. , Luo T. , MacNaughton J. , MacQueen C. , Masuda M. , Matsuda T. , Matvienko D. , Merola M. , Metzner F. , Miyabayashi K. , Mizuk R. , Mohanty G. B. , Mohanty S. , Mori T. , Moser H.-G. , Mrvar M. , Mussa R. , Nakao M. , Natkaniec Z. , Natochii A. , Nayak L. , Nayak M. , Niiyama M. , Nisar N. K. , Nishida S. , Ogawa S. , Ono H. , Onuki Y. , Oskin P. , Pakhlov P. , Pakhlova G. , Pardi S. , Park C. W. , Park H. , Patra S. , Paul S. , Pedlar T. K. , Pestotnik R. , Piilonen L. E. , Podobnik T. , Popov V. , Prencipe E. , Prim M. T. , Ritter M. , Röhrken M. , Rostomyan A. , Rout N. , Russo G. , Sakai Y. , Sandilya S. , Sangal A. , Santelj L. , Sanuki T. , Savinov V. , Schnell G. , Schueler J. , Schwanda C. , Seino Y. , Senyo K. , Sevior M. E. , Shapkin M. , Sharma C. , Shen C. P. , Shiu J.-G. , Sokolov A. , Solovieva E. , Stanič S. , Starič M. , Stottler Z. S. , Strube J. F. , Sumihama M. , Sumisawa K. , Sumiyoshi T. , Sutcliffe W. , Takizawa M. , Tanida K. , Tenchini F. , Uchida M. , Uglov T. , Unno Y. , Uno S. , Urquijo P. , Vahsen S. E. , Van Tonder R. , Varner G. , Varvell K. E. , Vinokurova A. , Vorobyev V. , Waheed E. , Wang C. H. , Wang E. , Wang M.-Z. , Wang P. , Watanabe M. , Watanuki S. , Wehle S. , Won E. , Xu X. , Yabsley B. D. , Yan W. , Yang S. B. , Ye H. , Yelton J. , Yin J. H. , Yusa Y. , Zhang Z. P. , Zhilich V. , Zhukova V. , Zhulanov V. 
Published: April 2021

Abstract

We present a search for the dark photon A′ in the B0 → A′A′ decays, where A′ subsequently decays to e+e−, μ+μ−, and π+π−. The search is performed by analyzing 772 × 106$$ B\overline{B} $$
B

B
¯

events collected by the Belle detector at the KEKB e+e− energy-asymmetric collider at the ϒ(4S) resonance. No signal is found in the dark photon mass range 0.01 GeV/c2 ≤ mA′ ≤ 2.62 GeV/c2, and we set upper limits of the branching fraction of B0 → A′A′ at the 90% confidence level. The products of branching fractions, $$ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to A^{\prime }A^{\prime}\right)\times \mathrm{\mathcal{B}}{\left(A\prime \to {e}^{+}{e}^{-}\right)}^2 $$
ℬ

B
0

→
A
′
A
′

×
ℬ

A
′
→

e
+

e
−

2

and $$ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to A^{\prime }A^{\prime}\right)\times \mathrm{\mathcal{B}}{\left(A\prime \to {\mu}^{+}{\mu}^{-}\right)}^2 $$
ℬ

B
0

→
A
′
A
′

×
ℬ

A
′
→

μ
+

μ
−

2

, have limits of the order of 10−8 depending on the A′ mass. Furthermore, considering A′ decay rate to each pair of charged particles, the upper limits of $$ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to A^{\prime }A^{\prime}\right) $$
ℬ

B
0

→
A
′
A
′

are of the order of 10−8–10−5. From the upper limits of $$ \mathrm{\mathcal{B}}\left({B}^0\to A^{\prime }A^{\prime}\right) $$
ℬ

B
0

→
A
′
A
′

, we obtain the Higgs portal coupling for each assumed dark photon and dark Higgs mass. The Higgs portal couplings are of the order of 10−2–10−1 at $$ {m}_{h\prime}\simeq {m}_{B^0} $$

m

h
′

≃

m

B
0

± 40 MeV/c2 and 10−1–1 at $$ {m}_{h\prime}\simeq {m}_{B^0} $$

m

h
′

≃

m

B
0

± 3 GeV/c2.