Searches for new physics using missing energy at the Belle II experiment

Abstract

Diese Dissertation präsentiert eine Suche nach neuen fundamentalen Wechselwirkungen von Elementarteilchen unter Verwendung von Daten, die bei einer Schwerpunktsenergie von 10.58 GeV im Belle II Experiment in Tsukuba, Japan, gesammelt wurden und einer integrierten Luminosität von 362 fb−1 entsprechen. Die hierin beschriebenen Studien konzentrieren sich auf Ereignisse mit fehlender Energie, was auf das Vorhandensein eines noch unentdeckten Teilchens hinweisen könnte. Die Beobachtung neuer Physik könnte Licht auf Lücken im aktuellen Verständnis des Universums werfen, wie etwa die Natur der Dunklen Materie. Diese Arbeit untersucht speziell Ereignisse, bei denen ein Paar Myonen zusammen mit einem nicht nachgewiesenen zurückstoßenden Teilchen produziert wird. Es werden Suchen nach unsichtbar zerfallenden Z′- und my- onphilen Skalarbosonen durchgeführt, die beide als resonante Strukturen in der Rückstoßmassenverteilung (Mrecoil) erscheinen sollen. Die Daten werden mit mehreren theoretischen Modellen interpretiert, einschließlich verschiedener Kopplungsstärken mit Dunkler Materie. Konfidenzintervalle werden für den Wirkungsquerschnitt und die Kopplungsstärke für jedes untersuchte Modell berechnet, wobei Ergebnisse erzielt werden, die mit früheren experimentellen Resultaten konkurrieren. Diese Arbeit nutzt ein neuronales Netzwerk, das unter Verwendung der neuartigen Punzi-Loss Funktion zur Trennung von Hintergrundprozessen trainiert wurde. Die Entwicklung und Implementierung dessen wird beschrieben. Darüber hinaus wird eine phänomenologische Neuinterpretation aktueller Messungen im Zusammenhang mit dem Verzweigungsverhältnis im B→Kνν ̄ Zerfallsprozess durchgeführt. Frühere Ergebnisse aus mehreren Quellen werden in Verbindung mit einem Modell leichter neuer Physik untersucht, das einen damit verbundenen zweikörperigen B→KX Zerfallsprozess beinhaltet, und es werden dadurch Restriktionen für ein solches Modell bestimmt.

This thesis presents a search for new physics processes using 362fb−1 of collected data produced at a centre-of-mass energy of 10.58 GeV at the Belle II experiment in Tsukuba, Japan. The studies described herein focus on events that feature missing energy, which could indicate the presence of an as yet undiscovered particle. Such an observation could shed light on gaps in current understanding of the universe, such as in the nature of dark matter. This work specifically investigates events in which a pair of muons are produced along with some undetected particle that induces a recoil in the muon pair. Searches are conducted for invisibly decaying Z′ and muonphilic scalar particles, both of which are expected to appear as resonant structures in the recoil mass distribution (Mrecoil). Data are interpreted under multiple theoretical models including various couplings to dark matter. Upper limits are calculated on the cross section and coupling strength for each model that is investigated, providing results that are competitive with, and expand on, previous experimental efforts. The study makes use of a neural network trained using the novel Punzi-loss function for rejection of background processes, the development and implementation of which is outlined. Furthermore a phenomenological reinterpretation of recent measurements related to the branching fraction of the B→Kνν ̄ decay process is conducted. Previous results from multiple sources are studied in conjunction under a light new physics model with an associated two body B→KX decay process, and constraints are thereby set on such a model.