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？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

c N’ Energy deposition ? LHC これまでの探索結果 LEP c 90% CL upper limits DAMA NaI 3s ｒegion N CDMS 04 CDMS 05 Predictions: Ellis & Olive, Baltz & Gondolo, Mandic & all Direct measurements have no sensitivity for ~GeV mass region LHC will reach ~TeV mass region Who will search ~GeV mass region ?

DM e+ Z e- DM g DM e+ M e- DM DM q _ q M DM これまでの探索結果（つづき） LEP LEP 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, 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)

q c _ q c Relic density is denoted as follows W : relic density h : Hubble constant v : 1/20 ~ 1/25 (* see paper) 0.1 pb ・ c Wh2 @ <s(ccSM) v > WMAP  Wh2 = 0.113 s(ccSM) ~ 18 pb s(SMcc)@s(ccSM), 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 … • Two-photon backgrounds are quite high … • Hard to reach prediction • s(e+e- gISRY(3S), Y(3S)p+p-Y(1S)) ~ 0.001 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

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 KEKB ~1/fb/day  ~3x106 Y(3S)/day Y(3S) run w/o TRG modification 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 KEKB ~1/fb/day  ~3x106 Y(3S)/day Y(3S) run w/o TRG modification 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

data MC Trigger logic for Y(1S)invisible Signal U(3S)  U(1S)p+p- U(1S)  invisible 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

Missing Mass (GeV/c2) Expected Sensitivity on Y(3S) run Y(3S) run x 4 trigger efficiency 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）

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. Before DAQ upgrade Loose pt cut loose opening angle cut After DAQ upgrade

B-factory における軽いダークマター探索の可能性