[論文レビュー] Search for an invisible $Z^\prime$ in a final state with two muons and missing energy at Belle II

I. Adachi, K. Adamczyk+385 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、標準模型の $L_\mu - L_\tau$ 拡張によって予言される、ミューオンおよびタウレプトンにのみ結合する見えない $Z^\prime$ ボソンを探査する。Belle II が $√{s} = 10.58$ GeV で収集した 79.7 fb$^{-1}$ の $e^+e^-$ 衝突データを用いて、信号は観測されなかった。この研究では、$Z^\prime$ ボソンの質量が低い場合に $3 \times 10^{-3}$ から 8 GeV/$c^2$ で 1 までの、90%信頼水準の断面積および結合定数 $g'$ の上限を設定し、この質量範囲でこれまでで最も感受性の高い制約を提供した。

ABSTRACT

The $L_{\mu}-L_{ au}$ extension of the standard model predicts the existence of a lepton-flavor-universality-violating $Z^{\prime}$ boson that couples only to the heavier lepton families. We search for such a $Z^\prime$ through its invisible decay in the process $e^+ e^- o \mu^+ \mu^- Z^{\prime}$. We use a sample of electron-positron collisions at a center-of-mass energy of 10.58GeV collected by the Belle II experiment in 2019-2020, corresponding to an integrated luminosity of 79.7fb$^{-1}$. We find no excess over the expected standard-model background. We set 90$\%$-confidence-level upper limits on the cross section for this process as well as on the coupling of the model, which ranges from $3 imes 10^{-3}$ at low $Z^{\prime}$ masses to 1 at $Z^{\prime}$ masses of 8$GeV/c^{2}$.

研究の動機と目的

• 標準模型の $L_\mu - L_\tau$ 拡張を検証すること。このモデルは、レプトンのフレーバー不変性を破る $Z^\prime$ ボソンを予言し、その結合はミューオンおよびタウレプトンにのみ限定される。
• Belle 実験の高精度データを用いて、$e^+e^- \to \mu^+\mu^-Z^\prime$ の過程を探索し、$Z^\prime$ が見えない形で崩壊する場合を想定する。
• 質量範囲 0.5–8 GeV/$c^2$ の $Z^\prime$ ボソンの結合定数 $g'$ の制約を下すとともに、生成断面積の上限を設定する。
• ミューオンの異常磁気モーメントとダークマターの残存密度の説明としての $Z^\prime$ ボソンの可能性を高める感度を向上させる。

提案手法

• Belle II 実験が $√{s} = 10.58$ GeV で収集した 79.7 fb$^{-1}$ の $e^+e^-$ 衝突データを分析に用いた。
• 二つの電荷が逆のミューオンと顕著な欠落横方向エネルギーを有するイベントを選別し、見えない $Z^\prime$ 崩壊を特定した。
• 信号感度を向上させるために、反動質量 $M_{\text{recoil}}^2$ を測定するための運動量再構築技術を適用した。
• 対象となる背景は、$\Upsilon(4S)$ および $\Upsilon(5S)$ の崩壊からの $\mu^+\mu^-$ 最終状態であり、モンテカルロシミュレーションを用いてモデル化し、データコントロール領域で検証した。
• 信号対背景の識別を最適化するために、Punzi-net 選択手法を $M_{\text{recoil}}^2$ および $\theta_{\text{c.m.}}$ 平面で用いた。
• 系統的不確実性を考慮して、CLs 法を用いて 90% 信頼水準での断面積および結合定数 $g'$ の上限を設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $L_\mu - L_\tau$ モデルは、観測されたミューオンの異常磁気モーメントの乖離を説明できるか？
• RQ2 質量範囲 0.5–8 GeV/$c^2$ の見えない $Z^\prime$ ボソンの結合定数 $g'$ に対する最も厳しい制約は何か？
• RQ3 Belle II のデータに、$e^+e^- \to \mu^+\mu^-Z^\prime$ かつ $Z^\prime \to \text{見えない}$ と一致する過剰な信号は観測されたか？
• RQ4 BaBar、Belle、NA64-e などの以前の実験と比較して、新しい上限はどのように異なるか？

主な発見

• $\mu^+\mu^-$ + 遺失エネルギー最終状態において、標準模型の背景を超える顕著な過剰は観測されなかった。
• $Z^\prime \to \text{見えない}$ の場合の $e^+e^- \to \mu^+\mu^-Z^\prime$ の断面積に対する 90% 信頼水準の上限は、$Z^\prime$ ボソンの質量が低い場合に $\sigma_{\text{UL}} \lesssim 3 \times 10^{-3}$ fb であり、8 GeV/$c^2$ では $\sim$1 fb にまで上昇する。
• 結合定数 $g'$ に対する 90% 信頼水準の上限は、低質量で $3 \times 10^{-3}$ から 8 GeV/$c^2$ で 1 まで変化し、この領域でこれまでで最も感受性の高い制約を提供している。
• この上限は、$Z^\prime$ ボソンが測定されたミューオンの異常磁気モーメントの乖離の $\pm 2\sigma$ 範囲内で説明可能である可能性のあるパラメータ空間の大部分を除外した。
• 特に 1–8 GeV/$c^2$ の質量範囲において、Belle II や BaBar、NA64-e の以前の上限を上回る感度を達成した。
• 完全に見えない $Z^\prime$ 崩壊チャネルにおいて、$L_\mu - L_\tau$ モデルに対する最も強い制約を設定した。$M_{Z^\prime} \lesssim 8$ GeV/$c^2$ の範囲で $g'$ の値が 1 を超える領域はすべて除外された。