Search for a Light CP-odd Higgs Boson and Low-Mass Dark Matter at the Belle Experiment

Seong, I.  s.; Vahsen, S.  e.; Adachi, I.; Aihara, H.; Al Said, S.; Asner, D.  m.; Aulchenko, V.; Aushev, T.; Ayad, R.; Babu, V.; Bakich, A.  m.; Bansal, V.; Behera, P.; Bhardwaj, V.; Bhuyan, B.; Bilka, T.; Biswal, J.; Bobrov, A.; Bonvicini, G.; Bozek, A.; Bračko, M.; Browder, T.  e.; Cao, L.; Červenkov, D.; Chang, P.; Chekelian, V.; Chen, A.; Cheon, B.  g.; Chilikin, K.; Cho, K.; Choi, Y.; Choudhury, S.; Cinabro, D.; Cunliffe, S.; Dash, N.; Di Carlo, S.; Dingfelder, J.; Dong, T.  v.; Eidelman, S.; Epifanov, D.; Fast, J.  e.; Frey, A.; Fulsom, B.  g.; Garg, R.; Gaur, V.; Gabyshev, N.; Garmash, A.; Gelb, M.; Giri, A.; Goldenzweig, P.; Golob, B.; Guido, E.; Haba, J.; Hayasaka, K.; Hayashii, H.; Hedges, M.  t.; Higuchi, T.; Hou, W. -S.; Hsu, C. -L.; Huang, K.; Iijima, T.; Inami, K.; Inguglia, G.; Ishikawa, A.; Itoh, R.; Iwasaki, M.; Iwasaki, Y.; Jacobs, W.  w.; Jeon, H.  b.; Jia, S.; Jin, Y.; Joffe, D.; Joo, K.  k.; Julius, T.; Kaliyar, A.  b.; Karyan, G.; Kawasaki, T.; Kichimi, H.; Kiesling, C.; Kim, D.  y.; Kim, J.  b.; Kim, K.  t.; Kim, S.  h.; Kinoshita, K.; Kodyš, P.; Korpar, S.; Kotchetkov, D.; Križan, P.; Kroeger, R.; Krokovny, P.; Kuhr, T.; Kumita, T.; Kuzmin, A.; Kwon, Y. -J.; Lange, J.  s.; Lee, I.  s.; Lee, S.  c.; L.  k., Li; Y.  b., Li; Li Gioi, L.; Libby, J.; Liventsev, D.; Lubej, M.; Luo, T.; Macqueen, C.; Masuda, M.; Matsuda, T.; Merola, M.; Miyabayashi, K.; Miyata, H.; Mizuk, R.; Mohanty, G.  b.; Mori, T.; Mussa, R.; Nakano, E.; Nakao, M.; Nanut, T.; Nath, K.  j.; Nayak, M.; Niiyama, M.; Nisar, N.  k.; Nishida, S.; Nishimura, K.; Ogawa, S.; Ono, H.; Ostrowicz, W.; Pakhlov, P.; Pakhlova, G.; Pal, B.; Park, H.; Pedlar, T.  k.; Pestotnik, R.; Piilonen, L.  e.; Prencipe, E.; Ritter, M.; Rostomyan, A.; Russo, G.; Sakai, Y.; Salehi, M.; Sandilya, S.; Santelj, L.; Sanuki, T.; Savinov, V.; Schneider, O.; Schnell, G.; Schueler, J.; Schwanda, C.; Seino, Y.; Senyo, K.; Seon, O.; Sevior, M.  e.; Shen, C.  p.; Shibata, T. -A.; Shiu, J. -G.; Simon, F.; Solovieva, E.; Stanič, S.; Starič, M.; Sumihama, M.; Sumiyoshi, T.; Sutcliffe, W.; Takizawa, M.; Tanida, K.; Tenchini, F.; Trabelsi, K.; Uchida, M.; Uglov, T.; Unno, Y.; Uno, S.; Usov, Y.; Van Hulse, C.; Van Tonder, R.; Varner, G.; Vinokurova, A.; Vossen, A.; Wang, B.; Wang, C.  h.; Wang, P.; Watanabe, M.; Watanuki, S.; Widmann, E.; Won, E.; Yamamoto, H.; Ye, H.; Yelton, J.; Yuan, C.  z.; Yusa, Y.; Zakharov, S.; Zhang, Z.  p.; Zhilich, V.; Zhukova, V.; Zhulanov, V.; Zupanc, A.

doi:10.1103/physrevlett.122.011801

We report on the first Belle search for a light CP-odd Higgs boson, A^{0}, that decays into low mass dark matter, χ, in final states with a single photon and missing energy. We search for events produced via the dipion transition ϒ(2S)→ϒ(1S)π^{+}π^{-}, followed by the on-shell process ϒ(1S)→γA^{0} with A^{0}→χχ, or by the off-shell process ϒ(1S)→γχχ. Utilizing a data sample of 157.3×10^{6} ϒ(2S) decays, we find no evidence for a signal. We set limits on the branching fractions of such processes in the mass ranges M_{A^{0}}<8.97 GeV/c^{2} and M_{χ}<4.44 GeV/c^{2}. We then use the limits on the off-shell process to set competitive limits on WIMP-nucleon scattering in the WIMP mass range below 5 GeV/c^{2}.