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

Résumé Technique : Recherche de particules de type axion se désintégrant en deux photons à Belle II

Problème et Motivation
Les particules de type axion (ALP) sont prédites dans diverses extensions du Modèle Standard (SM) et servent de portail potentiel entre les secteurs visibles et cachés. Bien que les ALPs légères (échelle MeV) soient des candidates pour la matière noire, des états plus lourds peuvent médier les interactions entre la matière noire et les particules du SM. Les ALPs se couplant aux secteurs électrofaibles neutres (photons et bosons Z) sont moins contraintes que celles se couplant aux fermions ou aux gluons. Ce travail se concentre sur la recherche d'une ALP ($a$) qui se couple principalement aux photons avec une intensité de couplage $g_{a\gamma\gamma}$, en supposant que la fraction de branchement pour $a \to \gamma\gamma$ est unitaire. L'étude cible la plage de masse $0,17 < m_a < 9,80$ GeV/$c^2$, une région où les contraintes précédentes issues des expériences basées sur les accélérateurs varient en sensibilité.

Méthodologie
L'analyse utilise un échantillon de données correspondant à une luminosité intégrée de $408,1 \pm 1,7$ fb$^{-1}$ enregistrée par le détecteur Belle II au collisionneur $e^+e^-$ SuperKEKB. La recherche cible le processus de production radiative $e^+e^- \to \gamma a$, suivi de la désintégration $a \to \gamma\gamma$.

• Sélection d'Événements : Les candidats sont sélectionnés à partir d'événements contenant trois photons ($\gamma_1, \gamma_2, \gamma_3$). Le candidat ALP est reconstruit à partir de n'importe quelle paire de ces photons, produisant trois candidats par événement.

  • Coupures Kinématiques : Les candidats photons doivent avoir une énergie $>0,5$ GeV et satisfaire à des exigences spécifiques d'angle polaire et de temps. La somme de la masse invariante des trois photons est contrainte par $0,80\sqrt{s} < M_{\gamma\gamma\gamma} < 1,05\sqrt{s}$.
  • Suppression du Bruit de Fond :
    • Angle d'Hélicité : L'angle d'hélicité $\lambda$ de l'ALP doit satisfaire $|\cos \lambda| < 0,74$ pour supprimer les processus de diffusion comme $e^+e^- \to \gamma\gamma(\gamma)$.
    • Veto de Traces : Les événements présentant deux traces chargées ou plus provenant du point d'interaction sont rejetés afin de réduire la diffusion Bhabha radiative.
    • Veto $\pi^0$ : Un veto est appliqué pour rejeter les paires de photons dont la masse invariante $M_{\gamma_i\gamma_j} < 0,16$ GeV/$c^2$.
    • Veto de Conversion : Les événements sont rejetés si les paires de photons satisfont à des critères de différence angulaire spécifiques indiquant des conversions externes.
  • Apprentissage Automatique (Machine Learning) : Un classificateur par réseau de neurones à propagation avant (feedforward) est employé pour distinguer le signal du bruit de fond dominant $e^+e^- \to \gamma\gamma(\gamma)$, en utilisant 19 caractéristiques cinématiques et topologiques.
  • Ajustement Kinématique (Kinematic Fit) : Un ajustement cinématique contraint la somme du quadrimomentum des trois photons à l'état initial, améliorant la résolution de la masse di-photon ($M_{\gamma\gamma}$).

• Extraction du Signal :

  • Le signal est recherché sous la forme d'un pic étroit dans le spectre $M_{\gamma\gamma}$.
  • La fonction de densité de probabilité (PDF) du signal combine une fonction Crystal Ball à double côté (DSCB) pour les signaux correctement reconstruits et un polynôme de premier ordre pour le bruit de fond combinatoire.
  • Les bruits de fond sont modélés avec des fonctions polynomiales (l'ordre est déterminé par la simulation).
  • Des fenêtres de masse spécifiques sont exclues pour éliminer les bruits de fond de type "pic" provenant des désintégrations du SM : $0,45 < m_a < 0,63$ GeV/$c^2$ ($\eta \to \gamma\gamma$) et $0,72 < m_a < 0,81$ GeV/$c^2$ ($\omega \to \pi^0\gamma$).
  • Des ajustements de maximum de vraisemblance non bornés étendus (extended unbinned maximum-likelihood fits) sont effectués dans des fenêtres de $\pm 20\sigma_{DSCB}$ autour de chaque hypothèse de masse.

Contributions Clés et Améliorations
Cette analyse représente une amélioration significative par rapport aux résultats précédents de Belle II [15] grâce à trois améliorations principales :

1. Jeu de Données Plus Étendu : Utilisation d'une luminosité intégrée nettement plus grande ($408$ fb$^{-1}$).
2. Reconstruction Avancée : Implémentation d'ajustements cinématiques pour affiner la résolution de masse.
3. Apprentissage Automatique : Déploiement d'un classificateur par réseau de neurones pour optimiser la séparation signal/bruit de fond.

Résultats

• Signification : Aucun excès significatif d'événements cohérent avec l'hypothèse du signal ALP n'a été observé. La plus grande signification locale était de $3,3\sigma$ près de $m_a = 0,22$ GeV/$c^2$, ce qui correspond à une signification globale de $1,4\sigma$ après avoir pris en compte l'effet de recherche multiple (look-elsewhere effect).
• Limites Supérieures : Les auteurs établissent des limites supérieures de confiance à 95 % (C.L.) sur la section efficace de production $\sigma(e^+e^- \to \gamma a, a \to \gamma\gamma)$ et sur le couplage $g_{a\gamma\gamma}$.
  • L'analyse atteint des sensibilités de l'ordre de $10^{-4}$ GeV$^{-1}$.
  • Les limites sont les plus restrictives à ce jour pour presque toute la plage de masse $0,17 < m_a < 5,00$ GeV/$c^2$.
  • Les nouvelles limites améliorent les résultats précédents jusqu'à un facteur 9.

Signification
L'article affirme que ces résultats fournissent les contraintes les plus strictes sur le couplage ALP-photon dans la plage de masse spécifiée, réduisant efficacement l'espace des paramètres pour les modèles d'ALP. L'étude démontre la capacité de l'expérience Belle II à sonder les ALPs de masse légère et intermédiaire avec une haute précision en utilisant des modes de production radiative, établissant une nouvelle référence pour les recherches futures dans ce secteur.