[论文解读] 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 2

一句话总结

该论文搜索了标准模型的 $L_\mu - L_\tau$ 扩展所预测的仅与μ子和τ轻子耦合的隐形 $Z^\prime$ 玻色子。利用 Belle II 实验在 $\sqrt{s} = 10.58$ GeV 下收集的 79.7 fb$^{-1}$ $e^+e^-$ 碰撞数据，未观测到信号；该研究在 90% 置信水平下设定了截面和耦合常数 $g'$ 的上限，其值从低 $Z^\prime$ 质量下的 $3 \times 10^{-3}$ 上升至 8 GeV/$c^2$ 时的 1，为该质量范围内迄今最灵敏的约束。

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$GeV/c^{2}$.

研究动机与目标

• 检验标准模型的 $L_\mu - L_\tau$ 扩展，该模型预测了一种仅与μ子和τ轻子耦合的、破坏轻子味普适性的 $Z^\prime$ 玻色子。
• 利用 Belle II 实验的高精度数据，搜索过程 $e^+e^- \to \mu^+\mu^-Z^\prime$，其中 $Z^\prime$ 以隐形方式衰变。
• 在 0.5–8 GeV/$c^2$ 质量范围内，约束 $Z^\prime$ 玻色子的耦合强度 $g'$，并设定其产生截面的上限。
• 提高对 $Z^\prime$ 作为解释μ子反常磁矩和暗物质丰度的潜在候选者的敏感度。

提出的方法

• 分析使用了 Belle II 实验在 $\sqrt{s} = 10.58$ GeV 下收集的 79.7 fb$^{-1}$ $e^+e^-$ 碰撞数据。
• 选择具有两个异号电荷μ子及显著缺失横向能量的事件，以识别隐形 $Z^\prime$ 衰变。
• 应用运动学重建技术，测量反冲质量平方 $M_{\text{recoil}}^2$，以增强对 $Z^\prime$ 信号的敏感度。
• 利用蒙特卡罗模拟对来自 $\Upsilon(4S)$ 和 $\Upsilon(5S)$ 衰变的 $\mu^+\mu^-$ 末态背景进行建模，并通过数据控制区域进行验证。
• 在 $M_{\text{recoil}}^2$ 和 $\theta_{\text{c.m.}}$ 平面上使用 Punzi-net 选择方法优化信号与背景的区分。
• 使用 CLs 方法在 90% 置信水平下设定截面和耦合 $g'$ 的上限，并传播系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 $L_\mu - L_\tau$ 模型能否解释观测到的μ子反常磁矩差异？
• RQ2 在 0.5–8 GeV/$c^2$ 质量范围内，对隐形 $Z^\prime$ 玻色子的耦合常数 $g'$ 的最严格约束是什么？
• RQ3 Belle II 数据是否显示出与 $e^+e^- \to \mu^+\mu^-Z^\prime$（其中 $Z^\prime \to \text{隐形}$）一致的过剩？
• RQ4 与 BaBar、Belle 和 NA64-e 等先前实验相比，新限制如何？

主要发现

• 在 $\mu^+\mu^-$ + 缺失能量末态中，未观测到显著超出标准模型背景的信号。
• 在 $e^+e^- \to \mu^+\mu^-Z^\prime$（其中 $Z^\prime \to \text{隐形}$）过程中，90% 置信水平的截面上限为 $\sigma_{\text{UL}} \lesssim 3 \times 10^{-3}$ fb（低 $Z^\prime$ 质量下），在 8 GeV/$c^2$ 时上升至 $\sim$1 fb。
• 90% 置信水平的耦合常数 $g'$ 上限从低质量下的 $3 \times 10^{-3}$ 上升至 8 GeV/$c^2$ 时的 1，为该区域迄今最灵敏的约束。
• 限制排除了 $Z^\prime$ 在 $\pm 2\sigma$ 测量差异范围内解释μ子反常磁矩的大部分参数空间。
• 结果在 1–8 GeV/$c^2$ 质量范围内优于 Belle II、BaBar 和 NA64-e 的先前限制。
• 该研究在 $Z^\prime$ 完全隐形衰变通道中设定了 $L_\mu - L_\tau$ 模型最强的约束，排除了 $M_{Z^\prime} \lesssim 8$ GeV/$c^2$ 时 $g'$ 值高于 1 的可能性。