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. 2025 Apr 18;134(15):151801.
doi: 10.1103/PhysRevLett.134.151801.

Search for a Hidden Sector Scalar from Kaon Decay in the Dimuon Final State at ICARUS

F Abd Alrahman  1 , P Abratenko  2 , N Abrego-Martinez  3 , A Aduszkiewicz  1 , F Akbar  4 , L Aliaga Soplin  5 , R Alvarez Garrote  6 , M Artero Pons  7 , J Asaadi  5 , W F Badgett  8 , B Baibussinov  7 , B Behera  9 , V Bellini  10 , R Benocci  11 , J Berger  9 , S Berkman  8 , S Bertolucci  12 , M Betancourt  8 , F Boffelli  13 , M Bonesini  11 , T Boone  9 , B Bottino  14 , A Braggiotti  7 , D Brailsford  15 , S J Brice  8 , V Brio  10 , C Brizzolari  11 , H S Budd  4 , A Campani  14 , A Campos  16 , D Carber  9 , M Carneiro  17 , I Caro Terrazas  9 , H Carranza  5 , F Castillo Fernandez  5 , A Castro  3 , S Centro  7 , G Cerati  8 , A Chatterjee  18 , D Cherdack  1 , S Cherubini  19 , N Chithirasreemadam  20 , M Cicerchia  7 , T E Coan  21 , A Cocco  22 , M R Convery  23 , L Cooper-Troendle  24 , S Copello  13 , H Da Motta  25 , M Dallolio  5 , A A Dange  5 , A de Roeck  26 , S Di Domizio  14 , L Di Noto  14 , C Di Stefano  19 , D Di Ferdinando  12 , M Diwan  17 , S Dolan  26 , L Domine  23 , S Donati  20 , F Drielsma  23 , J Dyer  9 , S Dytman  24 , A Falcone  11 , C Farnese  7 , A Fava  8 , A Ferrari  27 , N Gallice  17 , F G Garcia  23 , C Gatto  22 , D Gibin  7 , A Gioiosa  20 , W Gu  17 , A Guglielmi  7 , G Gurung  5 , K Hassinin  1 , H Hausner  8 , A Heggestuen  9 , B Howard  8   28 , R Howell  4 , I Ingratta  12 , C James  8 , W Jang  5 , M Jung  29 , Y-J Jwa  23 , L Kashur  9 , W Ketchum  8 , J S Kim  4 , D-H Koh  23 , J Larkin  4 , Y Li  17 , C Mariani  16 , C M Marshall  4 , S Martynenko  17 , N Mauri  12 , K S McFarland  4 , D P Méndez  17 , A Menegolli  13 , G Meng  7 , O G Miranda  3 , A Mogan  9 , N Moggi  12 , E Montagna  12 , C Montanari  8 , A Montanari  12 , M Mooney  9 , G Moreno-Granados  16 , J Mueller  9 , M Murphy  16 , D Naples  24 , V C L Nguyen  30 , S Palestini  26 , M Pallavicini  14 , V Paolone  24 , R Papaleo  19 , L Pasqualini  12 , L Patrizii  12 , L Paudel  9 , L Pelegrina-Gutiérrez  31 , G Petrillo  23 , C Petta  10 , V Pia  12 , F Pietropaolo  26 , F Poppi  12 , M Pozzato  12 , G Putnam  8 , X Qian  17 , A Rappoldi  13 , G L Raselli  13 , S Repetto  14 , F Resnati  26 , A M Ricci  20 , G Riccobene  19 , E Richards  24 , M Rosenberg  2 , M Rossella  13 , N Rowe  29 , P Roy  16 , C Rubbia  32 , M Saad  24 , I Safa  33 , S Saha  24 , P Sala  27 , G Salmoria  25 , S Samanta  14 , P Sapienza  19 , A Scaramelli  13 , A Scarpelli  17 , D Schmitz  29 , A Schukraft  8 , D Senadheera  24 , S-H Seo  8 , F Sergiampietri  26 , G Sirri  12 , J S Smedley  4 , J Smith  17 , L Stanco  7 , J Stewart  17 , H A Tanaka  23 , F Tapia  5 , M Tenti  12 , K Terao  23 , F Terranova  11 , V Togo  12 , D Torretta  8 , M Torti  11 , F Tortorici  10 , R Triozzi  7 , Y-T Tsai  23 , S Tufanli  26 , T Usher  23 , F Varanini  7 , S Ventura  7 , M Vicenzi  17 , C Vignoli  34 , B Viren  17 , F A Wieler  25 , Z Williams  5 , R J Wilson  9 , P Wilson  8 , J Wolfs  4 , T Wongjirad  2 , A Wood  1 , E Worcester  17 , M Worcester  17 , M Wospakrik  8 , S Yadav  5 , H Yu  17 , J Yu  5 , A Zani  27 , J Zennamo  8 , J Zettlemoyer  8 , C Zhang  17 , S Zucchelli  12 ; ICARUS Collaboration
Affiliations
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Search for a Hidden Sector Scalar from Kaon Decay in the Dimuon Final State at ICARUS

F Abd Alrahman et al. Phys Rev Lett. .
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Abstract

We present a search for long-lived particles (LLPs), produced in kaon decays, that decay to two muons inside the ICARUS neutrino detector. This channel would be a signal of hidden sector models that can address outstanding issues in particle physics such as the strong CP problem and the microphysical origin of dark matter. The search is performed with data collected in the Neutrinos at the Main Injector (NuMI) beam at Fermilab corresponding to 2.41×10^{20} protons-on-target. No new physics signal is observed, and we set world leading limits on heavy QCD axions, as well as for the Higgs portal scalar among dedicated searches. Limits are also presented in a model-independent way applicable to any new physics model predicting the process K→π+S(→μμ), for a LLP S. This result is the first search for new physics performed with the ICARUS detector at Fermilab. It paves the way for the future program of LLP searches at ICARUS.

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