Search for K L → π 0 π 0 γ γ and K L → π 0 π 0 X where X → γ γ at the KOTO Experiment

We performed searches for <a:math xmlns:a="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <a:mrow> <a:msub> <a:mrow> <a:mi>K</a:mi> </a:mrow> <a:mrow> <a:mi>L</a:mi> </a:mrow> </a:msub> <a:mo stretchy="false">→</a:mo> <a:msup> <a:mrow> <a:mi>π</a:mi> </a:mrow> <a:mrow> <a:mn>0</a:mn> </a:mrow> </a:msup> <a:msup> <a:mrow> <a:mi>π</a:mi> </a:mrow> <a:mrow> <a:mn>0</a:mn> </a:mrow> </a:msup> <a:mi>X</a:mi> </a:mrow> </a:math> where <d:math xmlns:d="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <d:mi>X</d:mi> </d:math> may be an axionlike particle that promptly decays to two photons, and the first search for <f:math xmlns:f="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <f:mrow> <f:msub> <f:mrow> <f:mi>K</f:mi> </f:mrow> <f:mrow> <f:mi>L</f:mi> </f:mrow> </f:msub> <f:mo stretchy="false">→</f:mo> <f:msup> <f:mrow> <f:mi>π</f:mi> </f:mrow> <f:mrow> <f:mn>0</f:mn> </f:mrow> </f:msup> <f:msup> <f:mrow> <f:mi>π</f:mi> </f:mrow> <f:mrow> <f:mn>0</f:mn> </f:mrow> </f:msup> <f:mi>γ</f:mi> <f:mi>γ</f:mi> </f:mrow> </f:math> at the KOTO experiment using data taken in 2021. The search is performed for <i:math xmlns:i="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <i:mi>X</i:mi> </i:math> mass in the range of <k:math xmlns:k="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <k:mrow> <k:mn>160</k:mn> <k:mi>–</k:mi> <k:mn>220</k:mn> <k:mtext> </k:mtext> <k:mtext> </k:mtext> <k:mi>MeV</k:mi> <k:mo>/</k:mo> <k:msup> <k:mrow> <k:mi>c</k:mi> </k:mrow> <k:mrow> <k:mn>2</k:mn> </k:mrow> </k:msup> </k:mrow> </k:math> . Three events were observed in the signal region, with two events near an <m:math xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <m:mi>X</m:mi> </m:math> mass of <o:math xmlns:o="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <o:mrow> <o:mn>177</o:mn> <o:mtext> </o:mtext> <o:mtext> </o:mtext> <o:mi>MeV</o:mi> <o:mo>/</o:mo> <o:msup> <o:mrow> <o:mi>c</o:mi> </o:mrow> <o:mrow> <o:mn>2</o:mn> </o:mrow> </o:msup> </o:mrow> </o:math> . This result led to a range of upper limits on the branching ratio, <q:math xmlns:q="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <q:mrow> <q:mrow> <q:mi>BR</q:mi> <q:mo stretchy="false">(</q:mo> <q:msub> <q:mrow> <q:mi>K</q:mi> </q:mrow> <q:mrow> <q:mi>L</q:mi> </q:mrow> </q:msub> <q:mo stretchy="false">→</q:mo> <q:msup> <q:mrow> <q:mi>π</q:mi> </q:mrow> <q:mrow> <q:mn>0</q:mn> </q:mrow> </q:msup> <q:msup> <q:mrow> <q:mi>π</q:mi> </q:mrow> <q:mrow> <q:mn>0</q:mn> </q:mrow> </q:msup> <q:mi>X</q:mi> </q:mrow> <q:mo stretchy="false">)</q:mo> </q:mrow> </q:math> <v:math xmlns:v="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <v:mrow> <v:mo><</v:mo> <v:mo stretchy="false">(</v:mo> <v:mn>1</v:mn> <v:mo>−</v:mo> <v:mn>20</v:mn> <v:mo stretchy="false">)</v:mo> <v:mo>×</v:mo> <v:msup> <v:mrow> <v:mn>10</v:mn> </v:mrow> <v:mrow> <v:mo>−</v:mo> <v:mn>7</v:mn> </v:mrow> </v:msup> </v:mrow> </v:math> at the 95% confidence level (CL). No events were observed for the analysis of <z:math xmlns:z="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <z:mrow> <z:msub> <z:mrow> <z:mi>K</z:mi> </z:mrow> <z:mrow> <z:mi>L</z:mi> </z:mrow> </z:msub> <z:mo stretchy="false">→</z:mo> <z:msup> <z:mrow> <z:mi>π</z:mi> </z:mrow> <z:mrow> <z:mn>0</z:mn> </z:mrow> </z:msup> <z:msup> <z:mrow> <z:mi>π</z:mi> </z:mrow> <z:mrow> <z:mn>0</z:mn> </z:mrow> </z:msup> <z:mi>γ</z:mi> <z:mi>γ</z:mi> </z:mrow> </z:math> , setting an upper limit on the branching ratio, <cb:math xmlns:cb="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <cb:mrow> <cb:mrow> <cb:mi>BR</cb:mi> <cb:mo stretchy="false">(</cb:mo> <cb:msub> <cb:mrow> <cb:mi>K</cb:mi> </cb:mrow> <cb:mrow> <cb:mi>L</cb:mi> </cb:mrow> </cb:msub> <cb:mo stretchy="false">→</cb:mo> <cb:msup> <cb:mrow> <cb:mi>π</cb:mi> </cb:mrow> <cb:mrow> <cb:mn>0</cb:mn> </cb:mrow> </cb:msup> <cb:msup> <cb:mrow> <cb:mi>π</cb:mi> </cb:mrow> <cb:mrow> <cb:mn>0</cb:mn> </cb:mrow> </cb:msup> <cb:mi>γ</cb:mi> <cb:mi>γ</cb:mi> </cb:mrow> <cb:mo stretchy="false">)</cb:mo> </cb:mrow>