Search for axion-like particles decaying to two photons at Belle II

Resumen Técnico: Búsqueda de partículas tipo axión que decaen en dos fotones en Belle II

Problema y Motivación
Se predicen partículas tipo axión (ALPs, por sus siglas en inglés) en diversas extensiones del Modelo Estándar (SM) y estas sirven como un portal potencial entre los sectores visible y oculto. Si bien las ALPs ligeras (escala de MeV) son candidatas a materia oscura, los estados más pesados pueden mediar interacciones entre la materia oscura y las partículas del SM. Las ALPs que se acoplan a los sectores electromagnéticos neutros (fotones y bosones Z) están menos restringidas que aquellas que se acoplan a fermiones o gluones. Este trabajo se centra en la búsqueda de una ALP ($a$) que se acopla predominantemente a fotones con una fuerza de acoplamiento $g_{a\gamma\gamma}$, asumiendo que la fracción de ramificación para $a \to \gamma\gamma$ es la unidad. El estudio apunta al rango de masa $0.17 < m_a < 9.80$ GeV/$c^2$, una región donde las restricciones previas de experimentos basados en aceleradores varían en sensibilidad.

Metodología
El análisis utiliza una muestra de datos correspondiente a una luminosidad integrada de $408.1 \pm 1.7$ fb$^{-1}$ registrada por el detector Belle II en el colisionador de electrones y positrones SuperKEKB. La búsqueda se dirige al proceso de producción radiativa $e^+e^- \to \gamma a$, seguido del decaimiento $a \to \gamma\gamma$.

• Selección de Eventos: Los candidatos se seleccionan de eventos que contienen tres fotones ($\gamma_1, \gamma_2, \gamma_3$). El candidato a la ALP se reconstruye a partir de cualquier par de estos fotones, lo que genera tres candidatos por evento.

  • Cortes Cinemáticos: Los candidatos a fotón deben tener una energía $>0.5$ GeV y satisfacer requisitos específicos de ángulo polar y tiempo. La suma de la masa invariante de los tres fotones se restringe a $0.80\sqrt{s} < M_{\gamma\gamma\gamma} < 1.05\sqrt{s}$.
  • Supresión de Fondo:
    • Ángulo de Helicidad: Se requiere que el ángulo de helicidad $\lambda$ de la ALP satisfaga $|\cos \lambda| < 0.74$ para suprimir procesos de dispersión como $e^+e^- \to \gamma\gamma(\gamma)$.
    • Veto de Traza: Se rechazan los eventos con dos o más trazas cargadas desde el punto de interacción para reducir la dispersión Bhabha radiativa.
    • Veto de $\pi^0$: Se aplica un veto para rechazar pares de fotones con masa invariante $M_{\gamma_i\gamma_j} < 0.16$ GeV/$c^2$.
    • Veto de Conversión: Se rechazan los eventos si los pares de fotones cumplen criterios de diferencia angular específicos indicativos de conversiones externas.
  • Aprendizaje Automático (Machine Learning): Se emplea un clasificador de red neuronal feedforward para distinguir la señal del fondo dominante $e^+e^- \to \gamma\gamma(\gamma)$, utilizando 19 características cinemáticas y topológicas.
  • Ajuste Cinemático: Un ajuste cinemático restringe la suma del cuadrimomento de los tres fotones al estado inicial, mejorando la resolución de la masa di-fotónica ($M_{\gamma\gamma}$).

• Extracción de la Señal:

  • La señal se busca como un pico estrecho en el espectro de $M_{\gamma\gamma}$.
  • La función de densidad de probabilidad (PDF) de la señal combina una función Crystal Ball de doble lado (DSCB) para señales correctamente reconstruidas y un polinomio de primer orden para el fondo combinatorio.
  • Los fondos se modelan con funciones polinómicas (el orden es determinado por la simulación).
  • Se excluyen ventanas de masa específicas para eliminar fondos de picos provenientes de decaimientos del SM: $0.45 < m_a < 0.63$ GeV/$c^2$ ($\eta \to \gamma\gamma$) y $0.72 < m_a < 0.81$ GeV/$c^2$ ($\omega \to \pi^0\gamma$).
  • Se realizan ajustes de máxima verosimilitud no extendidos (unbinned maximum-likelihood) en ventanas de $\pm 20\sigma_{DSCB}$ alrededor de cada hipótesis de masa.

Contribuciones Clave y Mejoras
Este análisis representa una mejora significativa respecto a los resultados previos de Belle II [15] a través de tres mejoras principales:

1. Conjunto de Datos más Grande: Utilización de una luminosidad integrada sustancialmente mayor ($408$ fb$^{-1}$).
2. Reconstrucción Avanzada: Implementación de ajustes cinemáticos para agudizar la resolución de masa.
3. Aprendizaje Automático: Despliegue de un clasificador de red neuronal para optimizar la separación señal-fondo.

Resultos

• Significancia: No se observó un exceso significativo de eventos consistente con la hipótesis de la señal de la ALP. La mayor significancia local fue de $3.3\sigma$ cerca de $m_a = 0.22$ GeV/$c^2$, lo que corresponde a una significancia global de $1.4\sigma$ tras contabilizar el efecto de mirar en todas partes (look-elsewhere effect).
• Límites Superiores: Los autores establecen límites superiores al nivel de confianza (C.L.) del 95% para la sección eficaz de producción $\sigma(e^+e^- \to \gamma a, a \to \gamma\gamma)$ y el acoplamiento $g_{a\gamma\gamma}$.
  • El análisis logra sensibilidades al nivel de $10^{-4}$ GeV$^{-1}$.
  • Los límites son los más restrictivos hasta la fecha para casi todo el rango de masa $0.17 < m_a < 5.00$ GeV/$c^2$.
  • Los nuevos límites mejoran los resultados previos hasta en un factor de 9.

Significancia
El artículo afirma que estos resultados proporcionan las restricciones más estrictas sobre el acoplamiento ALP-fotón en el rango de masa especificado, estrechando efectivamente el espacio de parámetros para los modelos de ALPs. El estudio demuestra la capacidad del experimento Belle II para sondear ALPs de masa ligera e intermedia con alta precisión utilizando modos de producción radiativa, estableciendo un nuevo referente para futuras búsquedas en este sector.