B-factoryにおける 軽いダークマター探索の可能性

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1 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

2 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

3 これまでの探索結果 c c N N’ ? LHC LEP
90% CL upper limits c N’ DAMA NaI 3s ｒegion N Energy deposition CDMS 04 CDMS 05 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 ?

4 これまでの探索結果（つづき） Invisible width of Z Zにカップルするものに対するリミット
LEP e+ e- Z DM Invisible width of Z Zにカップルするものに対するリミット single photon counting (e+e-  g invisible) e+e-にカップルするものに対するリミット qqにカップルするものに対するリミットは？ 実はまだ十分に探索されていない 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, (2005) “Invisible quarkonium decays as a sensitive probe of dark matter” hep-ph/ “Probing MeV Dark Matter at Low-Energy e+e- Colliders” hep-ph/ “Light neutralino dark matter in the next-to-minimal” hep-ph/ “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） LEP e+ e- g DM M _ q DM M _ _

5 Possibility of Dark Matter Search in B-factory
PRD 72, (2005) Br( Y(1S)cc ) ~ 0.41% (mc<4.73GeV/c2)

6 Br( Y(1S)cc ) ~ 0.41 % (mc<4.73GeV/c2)
Relic density is denoted as follows W : relic density h : Hubble constant v : 1/20 ~ 1/25 (* see paper) 0.1 pb ・ c <s(ccSM) v > WMAP  Wh2 = 0.113 c q _ s(ccSM) ~ 18 pb s(ccSM), G(U(1S)cc) = fU2MUs(bbcc) Br( Y(1S)cc ) ~ 0.41 % (mc<4.73GeV/c2) Model independent !

7 Possibility of Dark Matter Search in B-factory
PRD 72, (2005) Br( Y(1S)cc ) ~ 0.41% (mc<4.73GeV/c2) However … Two-photon backgrounds are quite high … Hard to reach prediction s(e+e-  gISRY(3S), Y(3S)p+p-Y(1S)) ~ nb s(gg  p+p-) ~ 5 nb Y(3S)gISR Y(3S)  p+p-Y(1S), Y(1S) invisible Belle-MC  U.L.~O(1) % w/ 500/fb

8 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

9 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

10 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

11 Expected Sensitivity on 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

12 Expected Sensitivity on Y(3S) run
w/o TRG modification KEKB ~1/fb/day  ~3x106 Y(3S)/day Y(3S) run x 4 trigger efficiency 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

13 Trigger logic for Y(1S)invisible
Signal U(3S)  U(1S)p+p- U(1S)  invisible data MC Control sample data U(3S)  U(1S)p+p- U(1S)  m+m- Eff. 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！) p+ p- y x

14 Expected Sensitivity on Y(3S) run
x 4 trigger efficiency 　　Missing Mass (GeV/c2) 90 %C.L 　　　Toy MC expectation Continuum (two-photon) bkg + peaking bkg (Y(1S)l+l-) + signal (理論予想を仮定) Theory prediction 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）

15 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 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

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17 Trigger logic for Y(1S)invisible cont.
Before DAQ upgrade Loose pt cut loose opening angle cut After DAQ upgrade

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