Search for an invisibly decaying Z′ boson and study of particle identification at the Belle II experiment

Abstract

Diese Arbeit handelt von der Suche nach einem hypothetischen Z′ Vektorboson in Elektron- Positron Kollisionen (e+e− → μ+μ− (Z′ → invisible)) am Belle II Detektor im KEK Forschungszentrum für Hochenergiephysik in Tsukuba, Japan. Das Z′ ergibt sich aus einer Erweiterung des Standardmodells mit einer abelschen Eichsymmetrie, basierend auf der Lμ − Lτ Zahl. Daraus resultiert eine Wechselwirkung an der nur Leptonen der zweiten und dritten Generation teilnehmen, weshalb es von vielen Experimenten, die nur die erste Generation betrachten, nicht wahrgenommen werden kann. Dieses neue Teilchen könnte die Unstimmigkeiten bezüglich des anomalen magnetischen Dipolmoments des Muons und die von LHCb gemessenen Diskrepanzen in b → sμ+μ− Prozessen erklären. Außerdem könnte es als Vermittler einer neuen Kraft Mechanismen zur Produktion von Dunkler Materie ermöglichen. Nach einer anfänglichen Trennung von Signal- und Hintergrundprozessen wird ein künstliches neuronales Netz für weitere Klassifizierung verwendet. Das Netz wird mit einer speziellen Kostenfunktion trainiert, die in direktem Zusammenhang zur Sensitivität der Suche steht. Basierend auf diesen Ergebnissen werden die zu erwartenden 90% Konfidenzintervalle der Kopplungsstärke eines Z′ mit einer Masse bis zu 9 GeV/c2 berechnet. Weiters wird die Teilchenidentifikation von Belle II mit Pionen von dem Zerfall eines τ-Leptons im Prozess e+e− → τ+τ− untersucht. Damit kann die Wahrscheinlichkeit, dass ein Pion falsch als Elektron oder Muon identifiziert wird, zwischen simulierten und real aufgenommenen Daten verglichen werden. Daraus wird ein Korrekturfaktor berechnet, um etwaige Diskrepanzen in der Simulation auszugleichen.

The subject of this thesis is the search for a hypothetical Z′ vector boson in events with two muons plus missing energy in the final state (e+e− μ+μ− (Z′ invisible)) at the Belle II detector, located at the SuperKEKB accelerator in Tsukuba, Japan. The Z′ arises through a natural extension of the Standard Model gauge group with a gauged Lμ − Lτ number. The resulting abelian interaction only couples to leptons of the second and third generation, thus hiding from most experiments only sensitive to first-generation leptons. This new particle could explain the discrepancies concerning the anomalous magnetic dipole moment of the muon, the tensions in b sμ+μ− transitions observed by LHCb, and act as a mediator between the interactions of the Standard Model and the Dark Sector. After an initial separation of signal from background, an artificial neural network (ANN) is used for additional classification. It is optimised directly on a figure of merit designed to maximise the sensitivity of the search. Based on these results, the expected 90% confidence intervals on the coupling constant for a Z′ with a mass up to 9 GeV/c2 are calculated. Furthermore, the particle identification of Belle II is studied with pions originating from one of the τ leptons in e+ e− τ + τ − events. This pion sample is then used to estimate the probability that pions are misidentified as electrons or muons. This probability is compared between simulation and collision data, and a correction factor is calculated, which can be used to account for discrepancies in the simulation.