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}.