Kurzfassung
Trotz der großen Erfolge, welche das Standardmodell (SM) bei der Er- kla ̈rung und Vorhersage des Verhaltens und der Existenz von Teilchen erzielt hat, fehlt fu ̈r mehrere Pha ̈nomene noch eine zufriedenstellende Erkla ̈rung. Darunter ist Dunkle Materie (DM), eine Art Materie, die scheinbar das ge- samte Universum durchdringt und die bislang nur durch ihre gravitative Wechselwirkung beobachtet wurde.
Eine mo ̈gliche Erweiterung des SM, die dazu beitragen ko ̈nnte, das Mys- terium der DM zu lo ̈sen und/oder einige astrophysikalische Anomalien zu erkla ̈ren, sind Axion-a ̈hnliche Teilchen (ALPs). Das in dieser Arbeit beru ̈ck- sichtigte Modell ist ein ALP, welches mit SM-Photonen mit einer Kopp- lungssta ̈rke gaγγ wechselwirkt, und eine Masse ma besitzt. Diese Arbeit be- schreibt eine Suche nach der direkten Produktion eines solchen ALPs im e+e− → γa(a → γγ) Prozess im Massenbereich 0.2 < ma < 9.7 GeV/c2. Diese Suche wird mit 0.445 fb−1 an Daten durchgefu ̈hrt, welche 2018 vom Belle II Detektor gesammelt wurden.
Es wird kein Hinweis auf ALPs gefunden, und obere Ausschlussgrenzen von 10−3 GeV−1 werden mit einem Konfidenzniveau von 95% auf die Kopp- lungssta ̈rke gaγγ gesetzt. Diese Ausschlussgrenzen sind fu ̈r 0.2 < ma < 1 GeV/c2 die zurzeit sta ̈rksten.
Da der Endzustand des e+e− → γa(a → γγ) Prozesses mit drei Photonen vollsta ̈ndig neutral ist, ko ̈nnte ein geeigneter kinematischer Fit mit neutralen Teilchen ein wirksames Werkzeug zur Verbesserung der Signalauflo ̈sung sein. Um einen solchen kinematischen Fit zu ermo ̈glichen, ist eine genaue Kennt- nis der Kovarianzmatrix fu ̈r Photonen erforderlich. Diese Matrix wird aus den Ergebnissen von Studien der Auflo ̈sung von Photonen gewonnen, deren Status und Ergebnisse in dieser Arbeit vorgestellt werden.
Despite the great successes achieved by the Standard Model (SM) in explain- ing and predicting the behavior and existence of particles, multiple phenom- ena are yet to be given a satisfying explanation. Amongst these is Dark Matter (DM), a kind of matter that would permeate the whole Universe and that so far has been observed only via its gravitational interactions. One possible extension of the SM, which may contribute to solve the mystery of DM and/or explain some astrophysical anomalies, are Axion-Like Particles (ALPs). The model taken into consideration in this thesis is of an ALP interacting with SM photons with a coupling strength gaγγ and having mass ma. This thesis describes a search for the direct production of such ALP via the process e+e− → γa(a → γγ), in the mass range 0.2 < ma < 9.7 GeV/c2. This search is performed using 0.445 fb−1 of data collected in 2018 by the Belle II detector. No evidence for ALPs is found, and a 95%-confidence-level upper limit is set on the coupling constant gaγγ at the level of 10−3 GeV−1. These limits are the strongest to date for 0.2 < ma < 1 GeV/c2. Given that the final state of the e+e− → γa(a → γγ) process is fully neutral, being made up by three photons, a proper kinematic fit with neutral particles may be a powerful tool to improve signal resolution. To achieve such a kinematic fit, a precise knowledge of the photon covariance matrix is needed. Such matrix is obtained from the results of photon resolution studies, whose status and results are presented in this thesis.