[논문 리뷰] Search for an invisible $Z^\prime$ in a final state with two muons and missing energy at Belle II

I. Adachi, K. Adamczyk외 385명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 $L_\mu - L_\tau$ 확장에서 예측하는, 유일하게 뮤온과 타우 레프톤에만 결합하는 비가시적 $Z^\prime$ 보손을 찾는다. Belle II에서 수집한 $\sqrt{s} = 10.58$ GeV에서의 79.7 fb$^{-1}$의 $e^+e^-$ 충돌 데이터를 사용하여 신호는 관측되지 않았으며, 이 연구는 $Z^\prime$의 생산 단면적과 결합 상수 $g'$에 대해 90% 신뢰수준 상한을 설정하였으며, 낮은 $Z^\prime$ 질량에서는 $3 \times 10^{-3}$에서부터 8 GeV/$c^2$에서는 1에 이르기까지 범위를 가지며, 이 질량 범위에서 현재까지 가장 민감한 제약 조건을 제공한다.

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$GeV/c^{2}$.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 $L_\mu - L_\tau$ 확장을 시험하여, 레프톤-플레이버 유니버설리티 위반을 일으키는 $Z^\prime$ 보손이 뮤온과 타우 레프톤에만 결합하는지를 확인한다.
• Belle 실험의 고정밀 데이터를 사용하여 $e^+e^- \to \mu^+\mu^-Z^\prime$ 과정을 탐색하고, $Z^\prime$가 비가시적으로 붕괴하는 경우를 분석한다.
• 0.5–8 GeV/$c^2$ 질량 범위에서 $Z^\prime$ 보손의 결합 강도 $g'$를 제약하고, 생산 단면적에 대한 상한을 설정한다.
• $Z^\prime$가 뮤온의 비정상 자기모멘트와 암흑물질 잔류 밀도의 잠재적 설명제안자로서의 가능성을 향상된 민감도로 분석한다.

제안 방법

• Belle 실험에서 $\sqrt{s} = 10.58$ GeV에서 수집한 79.7 fb$^{-1}$의 $e^+e^-$ 충돌 데이터를 분석에 사용한다.
• 이상적인 $Z^\prime$ 붕괴를 식별하기 위해, 반대 전하를 가진 두 개의 뮤온과 뚜렷한 부족 횡방향 에너지를 가진 사건을 선별한다.
• 신호에 대한 민감도를 향상시키기 위해, 반동 질량의 제곱 $M_{\text{recoil}}^2$ 를 측정하기 위한 운동학적 재구성 기법을 적용한다.
• $\Upsilon(4S)$ 및 $\Upsilon(5S)$ 붕괴에서 발생하는 $\mu^+\mu^-$ 최종 상태의 배경은 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 모델링하고, 데이터 제어 영역을 통해 검증한다.
• $M_{\text{recoil}}^2$ 및 $\theta_{\text{c.m.}}$ 평면에서 신호 대 배경 분리 최적화를 위해 Punzi-net 선택 기법을 사용한다.
• 체계적 불확실성을 반영하여, CLs 방법을 사용하여 90% 신뢰수준에서 단면적 및 결합 상수 $g'$에 대한 상한을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형의 $L_\mu - L_\tau$ 모형이 관측된 뮤온의 비정상 자기모멘트 불일치를 설명할 수 있는가?
• RQ2 0.5–8 GeV/$c^2$ 질량 범위에서 비가시적 $Z^\prime$ 보손의 결합 상수 $g'$에 대해 가장 엄격한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 Belle II 데이터에서 $e^+e^- \to \mu^+\mu^-Z^\prime$ 과정에서 $Z^\prime \to \text{비가시적}$ 인 경우에 대해 초과 신호가 관측되었는가?
• RQ4 이 새로운 제약 조건은 BaBar, Belle, NA64-e와 같은 이전 실험들과 비교하여 어떻게 다른가?

주요 결과

• 비가시적 $\mu^+\mu^-$ + 부족 에너지 최종 상태에서 표준모형 배경을 초과하는 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• 비가시적 $Z^\prime$ 붕괴를 가진 $e^+e^- \to \mu^+\mu^-Z^\prime$ 과정에 대해 90% 신뢰수준 단면적 상한은 낮은 $Z^\prime$ 질량에서는 $\sigma_{\text{UL}} \lesssim 3 \times 10^{-3}$ fb이며, 8 GeV/$c^2$에서는 $\sim$1 fb로 증가한다.
• 결합 상수 $g'$에 대한 90% 신뢰수준 상한은 낮은 질량에서는 $3 \times 10^{-3}$에서부터 8 GeV/$c^2$에서는 1에 이르며, 이는 이 질량 범위에서 현재까지 가장 민감한 제약 조건을 제공한다.
• 이 제약 조건은 $Z^\prime$ 보손이 측정된 불일치의 $\pm 2\sigma$ 범위 내에서 뮤온의 비정상 자기모멘트를 설명할 수 있는 매개변수 공간의 대부분을 배제한다.
• 이전의 Belle II, BaBar, NA64-e의 제약 조건보다 특히 1–8 GeV/$c^2$ 질량 범위에서 향상된 제약 조건을 제공한다.
• 이 연구는 완전히 비가시적 $Z^\prime$ 붕괴 채널에서 $L_\mu - L_\tau$ 모형에 대해 가장 강력한 제약 조건을 설정하였으며, $M_{Z^\prime} \lesssim 8$ GeV/$c^2$ 범위에서 $g'$ 값이 1을 초과하는 영역을 배제한다.