Search for π0 decays to invisible particles
Authors:   The NA62 collaboration, Cortina Gil E. , Kleimenova A. , Minucci E. , Padolski S. , Petrov P. , Shaikhiev A. , Volpe R. , Numao T. , Velghe B. , Bryman D. , Fu J. , Husek T. , Jerhot J. , Kampf K. , Zamkovsky M. , Aliberti R. , Khoriauli G. , Kunze J. , Lomidze D. , Marchevski R. , Peruzzo L. , Vormstein M. , Wanke R. , Dalpiaz P. , Fiorini M. , Neri I. , Norton A. , Petrucci F. , Wahl H. , Cotta Ramusino A. , Gianoli A. , Iacopini E. , Latino G. , Lenti M. , Parenti A. , Bizzeti A. , Bucci F. , Antonelli A. , Georgiev G. , Kozhuharov V. , Lanfranchi G. , Martellotti S. , Moulson M. , Spadaro T. , Ambrosino F. , Capussela T. , Corvino M. , Di Filippo D. , Massarotti P. , Mirra M. , Napolitano M. , Saracino G. , Anzivino G. , Brizioli F. , Imbergamo E. , Lollini R. , Piandani R. , Santoni C. , Barbanera M. , Cenci P. , Checcucci B. , Lubrano P. , Lupi M. , Pepe M. , Piccini M. , Costantini F. , Di Lella L. , Doble N. , Giorgi M. , Giudici S. , Lamanna G. , Lari E. , Pedreschi E. , Sozzi M. , Cerri C. , Fantechi R. , Pontisso L. , Spinella F. , Mannelli I. , D’Agostini G. , Raggi M. , Biagioni A. , Leonardi E. , Lonardo A. , Valente P. , Vicini P. , Ammendola R. , Bonaiuto V. , Fucci A. , Salamon A. , Sargeni F. , Arcidiacono R. , Bloch-Devaux B. , Boretto M. , Menichetti E. , Migliore E. , Soldi D. , Biino C. , Filippi A. , Marchetto F. , Engelfried J. , Estrada-Tristan N. , Bragadireanu A. M. , Ghinescu S. A. , Hutanu O. E. , Baeva A. , Baigarashev D. , Emelyanov D. , Enik T. , Falaleev V. , Kekelidze V. , Korotkova A. , Litov L. , Madigozhin D. , Misheva M. , Molokanova N. , Movchan S. , Polenkevich I. , Potrebenikov Y. , Shkarovskiy S. , Zinchenko A. , Fedotov S. , Gushchin E. , Khotyantsev A. , Kudenko Y. , Kurochka V. , Medvedeva M. , Mefodev A. , Kholodenko S. , Kurshetsov V. , Obraztsov V. , Ostankov A. , Semenov V. , Sugonyaev V. , Yushchenko O. , Bician L. , Blazek T. , Cerny V. , Kucerova Z. , Bernhard J. , Ceccucci A. , Danielsson H. , De Simone N. , Duval F. , Döbrich B. , Federici L. , Gamberini E. , Gatignon L. , Guida R. , Hahn F. , Holzer E. B. , Jenninger B. , Koval M. , Laycock P. , Lehmann Miotto G. , Lichard P. , Mapelli A. , Massri K. , Noy M. , Palladino V. , Perrin-Terrin M. , Pinzino J. , Ryjov V. , Schuchmann S. , Venditti S. , Bache T. , Brunetti M. B. , Duk V. , Fascianelli V. , Fry J. R. , Gonnella F. , Goudzovski E. , Iacobuzio L. , Lazzeroni C. , Lurkin N. , Newson F. , Parkinson C. , Romano A. , Sergi A. , Sturgess A. , Swallow J. , Heath H. , Page R. , Trilov S. , Angelucci B. , Britton D. , Graham C. , Protopopescu D. , Carmignani J. , Dainton J. B. , Jones R. W. L. , Ruggiero G. , Fulton L. , Hutchcroft D. , Maurice E. , Wrona B. , Conovaloff A. , Cooper P. , Coward D. , Rubin P. 
Published: February 2021

Abstract

The NA62 experiment at the CERN SPS reports a study of a sample of 4 × 109 tagged π0 mesons from K+ → π+π0(γ), searching for the decay of the π0 to invisible particles. No signal is observed in excess of the expected background fluctuations. An upper limit of 4.4 × 10−9 is set on the branching ratio at 90% confidence level, improving on previous results by a factor of 60. This result can also be interpreted as a model- independent upper limit on the branching ratio for the decay K+ → π+X, where X is a particle escaping detection with mass in the range 0.110–0.155 GeV/c2 and rest lifetime greater than 100 ps. Model-dependent upper limits are obtained assuming X to be an axion-like particle with dominant fermion couplings or a dark scalar mixing with the Standard Model Higgs boson.