Probing dark-matter scenarios of Belle II excess in $B^+\to K^+M_X$ with $K^+\to \pi^+ M_X$ decays

In de uitgestrekte, onzichtbare architectuur van het universum blijft een aanzienlijk deel van de materie verborgen voor onze ogen. Deze ontbrekende substantie, bekend als donkere materie, zendt geen licht uit en interageert ook niet met de krachten die atomen bij elkaar houden op de manier waarop gewone materie dat doet. Wetenschappers vermoeden al lang dat dit ongrijpbare materiaal niet slechts een passieve achtergrondspeler is, maar zichzelf af en toe zou kunnen onthullen door subtiele interacties met de zichtbare wereld. Om het te vinden, richten onderzoekers zich op de meest onstabiele en energieke deeltjes die de natuur biedt: zware deeltjes die B-mesonen worden genoemd. Deze deeltjes, gecreëerd in hoogenergetische botsingen, vervallen bijna onmiddellijk in lichtere deeltjes. Door te bestudelen hoe ze uiteenvallen, zoeken natuurkundigen naar kleine discrepanties tussen wat de standaardfysica voorspelt en wat er daadwerkelijk gebeurt. Als een B-meson vervalt in een zichtbaar deeltje en niets anders, waardoor er een gat ontstaat in de energiebalans, zou dit kunnen wijzen op het ontsnappen van onzichtbare deeltjes donkere materie. Dit is het jachtveld waar recente experimenten iets onverwachts hebben gevonden, wat een nieuw hoofdstuk heeft geopend in de zoektocht naar de verborgen massa van het universum.

Een team van onderzoekers heeft een frisse blik geworpen op een verrassend signaal dat werd gedetecteerd door het Belle II-experiment in Japan. In 2023 observeerde dit experiment dat B-mesonen vaker vervallen in een kaon (een lichtere neef van het B-meson) en ontbrekende energie dan de standaardmodellen van de deeltjesfysica toelaten. Het standaardmodel voorspelt dat deze vervallen zeer zelden zouden moeten voorkomen, waarbij alleen neutrino's betrokken zijn, die bijna massaloze, spookachtige deeltjes zijn. De Belle II-data lieten echter een frequentie zien die meer dan vijf keer hoger is dan verwacht. Hoewel dit een statistische toevalstreffer zou kunnen zijn, is het ook een veelbelovende aanwijzing voor nieuwe fysica. De onderzoekers achter deze nieuwe studie stelden een specifieke verklaring voor: dat de ontbrekende energie niet alleen neutrino's zijn, maar paren donkere materie-deeltjes. Ze richtten zich op een scenario waarin deze deeltjes donkere materie "top-fiel" zijn, wat betekent dat ze het sterkst interageren met het topquark, het zwaarste bekende elementaire deeltje. In dit model vindt het verval plaats via een complexe lus die de topquark omvat en een hypothetisch dragerdeeltje, of mediator, die de kloof tussen de zichtbare wereld en de donkere sector overbrugt.

Het werk van het team omvatte een slimme kruiscontrole met een ander type deeltjesverval om de top-fiele hypothese te testen. Als de verklaring van donkere materie voor de B-meson excess correct is, zou hetzelfde onderliggende mechanisme ook de verval van een geladen kaon naar een pion en ontbrekende energie moeten beïnvloeden. Terwijl het verval van het B-meson gevoelig is voor de eigenschappen van het zware mediator-deeltje, is het kaon-verval uniek gevoelig voor de massa van de deeltjes donkere materie zelf. De onderzoekers berekenden precies hoe de vervalsnelheden en energieverdelingen eruit zouden zien voor twee verschillende versies van dit donkere materie-model: één waarbij de mediator een scalair deeltje is en een andere waarbij het een vectorieel deeltje is. Vervolgens vergeleken ze hun theoretische voorspellingen met de nieuwste experimentele data van het NA62-experiment, dat kaon-vervallen met extreme precisie meet.

De resultaten van deze vergelijking bieden een duidelijk pad voorwaarts om verschillende mogelijkheden te onderscheiden. Voor het model met een scalaire mediator sluiten de data van de kaon-vervallen goed aan bij de voorspellingen die zijn afgeleid van de B-meson excess, mits de deeltjes donkere materie zeer licht zijn, met een massa die dicht bij nul ligt. In dit scenario zouden de extra gebeurtenissen verschijnen als een vloeiende, zachte toename over het gehele bereik van mogelijke energieën, consistent met wat het NA62-experiment momenteel heeft waargenomen. Echter, het beeld verandert drastisch voor het model met een vectoriale mediator. Hier speelt de massa van het deeltje donkere materie een cruciale rol. Als de deeltjes donkere materie zeer licht zijn, voorspelt het model een aanzienlijke toename van gebeurtenissen die de NA62-data niet ziet, wat die specifieief combinatie van parameters effectief uitsluit. Omgekeerd, als de deeltjes donkere materie een massa hebben die iets boven een bepaalde drempel ligt, voorspelt het model een scherpe piek in gebeurtenissen bij hogere energieën.

Dit onderscheid biedt een krachtig instrument voor toekomstige ontdekkingen. De onderzoekers kwamen tot de conclusie dat de B-meson data alleen niet nauwkeurig genoeg waren om de exacte massa van de deeltjes donkere materie vast te stellen, waardoor een breed scala aan mogelijkheden open bleef. De kaon-verval data fungeren echter als een filter. Als toekomstige experimenten met meer data een vloeiende, lage toename bevestigen, zou dit het scalaire mediator-model met zeer lichte donkere materie sterk ondersteunen. Als de data daarentegen een duidelijke piek van gebeurtenissen bij hogere energieën onthullen, zou dit wijzen op het vectoriale mediator-model met deeltjes donkere materie met een massa tussen 0,11 en 0,15 GeV. Totdat er meer data beschikbaar komt, blijft de top-fiele donkere materie hypothese een levensvatbare en testbare verklaring voor de Belle II-anomalie, waarbij het kaon-verval dient als de cruciale volgende stap om ofwel de aard van deze onzichtbare deeltjes te bevestigen, of de theoretici richting een andere oplossing te leiden. De zoektocht gaat door, niet met één enkel experiment, maar met de zorgvuldige, kruislingse controle van hoe verschillende deeltjes zich gedragen wanneer ze verdwijnen in het donkere.