B-factoryにおける軽いダークマター探索の可能性

B-factoryにおける
軽いダークマター探索の可能性
田島治 , 羽澄昌史 (KEK)
３月２８日日本物理学会
全宇宙の1/4を占めるダークマター
Ｂファクトリーでも何か出来ないか？
o% antimatter
ちなみにB-factoryの本業は0%の
反粒子の謎にせまる実験！
WIMPs (Weakly-Interacting-Massive-Particles) are good dark matter candidates
これまでの探索結果
LEP
c
90% CL upper limits
DAMA NaI
3s ｒegion
c
N’
N
Energy
deposition
Predictions: Ellis & Olive, Baltz
& Gondolo, Mandic & all
?
LHC
Direct measurements have no sensitivity for ~GeV mass region
LHC will reach ~TeV mass region
Who will search ~GeV mass region ?
LEP
これまでの探索結果（つづき）
e+
Invisible width of Z
Zにカップルするものに対するリミット
eLEP
single photon counting (e+e-  g invisible)
+
e
+
e e にカップルするものに対するリミット
Z
e-
M
_
qqにカップルするものに対するリミットは？ q
_
DM
DM
g
DM
DM
DM
実はまだ十分に探索されていない
q
M
DM
単純なＭＳＳＭなら上記のリミットが適用可
が、しかし…
_
Next-to-NSSM等々qqがfavorされるモデルはいくらでも作れる
PRD 72, 103508 (2005) “Invisible quarkonium decays as a sensitive probe of dark matter”
hep-ph/0510147
“Probing MeV Dark Matter at Low-Energy e+e- Colliders”
hep-ph/0509024
“Light neutralino dark matter in the next-to-minimal”
hep-ph/0601090
“Dark matter pair-production in bs transitions”
実験の役目: 無数にある理論の可能性を一つ一つ排除する
もし見つけてしまったらラッキー（ダークホース狙いで万馬券）
Possibility of Dark Matter Search in B-factory
PRD 72, 103508 (2005)
Br( Y(1S)cc ) ~ 0.41% (mc<4.73GeV/c2)
Relic density is denoted as follows
Wh2
0.1 pb ・ c
@
<s(ccSM) v >
WMAP  Wh2 = 0.113
s(ccSM) ~ 18 pb
s(SMcc) @ s(ccSM),
W : relic density
h : Hubble constant
v : 1/20 ~ 1/25 (* see paper)
c
q
c
_
q
G(U(1S)cc) = fU2MUs(bbcc)
Br( Y(1S)cc ) ~ 0.41 % (mc<4.73GeV/c2)
Model independent !
Possibility of Dark Matter Search in B-factory
PRD 72, 103508 (2005)
Br( Y(1S)cc ) ~ 0.41% (mc<4.73GeV/c2)
However …
Y(3S)gISR are quite high …
Two-photon backgrounds
Y(3S)  p+p-Y(1S), Y(1S) invisible
Hard to reach prediction
s(e+e-  gISRY(3S), Y(3S)p+p-Y(1S)) ~ 0.001 nb
s(gg  p+p-) ~ 5 nb
Belle-MC  U.L.~O(1) % w/ 500/fb
Idea to improve S/N ratio (1)
s(e+e-  Y(3S)gISR )~0.02 nb
s(e+e-  Y(1S))~19 nb
 No signal in detector !
Energy scan by CLEO
Idea to improve S/N ratio (2)
s(e+e-  Y(3S)gISR )~0.02 nb
s(e+e-  Y(2S))~7 nb
 No trigger (too low pt)
Energy scan by CLEO
Idea to improve S/N ratio (3)
s(e+e-  Y(3S)gISR ) ~ 0.02 nb
s(e+e-  Y(3S)) ~ 3 nb
S/N ratio x150
Energy scan by CLEO
Expected Sensitivity on Y(3S) run
Y(3S) run
w/o TRG modification
KEKB ~1/fb/day

~3x106 Y(3S)/day
90 %C.L
Theory prediction
*) Syst. error is
not considered
万馬券狙いに２週間も特別なランをやるのは投資が大きすぎる
現在のトリガー条件はDM探索モードに対しては非常にtight
Expected Sensitivity on Y(3S) run
Y(3S)
Y(3S) run
run
w/o
TRG modification
x 4 trigger
efficiency
KEKB ~1/fb/day

~3x106 Y(3S)/day
90 %C.L
Theory prediction
*) Syst. error is
not considered
もしS/Nが変わらずにefficiencyを向上できれば
投資日数を節約できる
Trigger logic for Y(1S)invisible
data
MC
p+
py
x
Signal
U(3S)  U(1S)p+pU(1S)  invisible
Control sample data
U(3S)  U(1S)p+pU(1S)  m+mEff. depends on opening angle
• loose opening angle cut
135  45 degree
• loose pt cut
pt>300 MeV for both tracks
 for one (or both) track
• MC: 9  38% trg eff. (４倍！)
Expected Sensitivity on Y(3S) run
Y(3S) run
x 4 trigger efficiency
90 %C.L
Theory prediction
Toy MC expectation
Continuum (two-photon) bkg
+ peaking bkg (Y(1S)l+l-)
+ signal (理論予想を仮定)
Missing Mass (GeV/c2)
トリガー条件をＤＭ探索に最適化すれば…
数日の特別ランで理論予想領域に到達できる
かもしれない（トリガー変更前後でS/N一定）
まとめ
• Bファクトリーでの軽いダークマター探索の可
能性を検討
• Y(1S)  cc (invisible) に注目してみた
Model independentに予想されるBr~0.41%
• Y(3S) on-resonanceでKEKBを運転
高い生成率 ~3x106 Y(3S)/day @ KEKB lumi.
• トリガーロジックを最適化
Running cost (時間)節約の可能性 ~1/4?
• 数日の特別ランで . . .
運が良ければ発見
Trigger logic for Y(1S)invisible cont.
Loose pt cut
Before
DAQ
upgrade
loose opening
angle cut
After
DAQ upgrade

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