Kurzfassung
Phänomene wie dunkle Materie können durch zusätzliche Mediatorteilchen mit Spin-0 mit dem Standardmodell verbunden werden.
Diese Doktorarbeit beschreibt eine Suche nach einem langlebigen Teilchen mit Spin-0, S, in seltenen B-Meson Zerfällen via b → s Quarkübergänge.
Ein Datensatz enstprechend einer integrierten Luminosität von 189fb-1 von e+e- Kollisionen bei der Υ(4S) Resonanzenergie, aufgezeichnet vom Belle II Experiment, wird analysiert.
Die Suche wird in acht exklusiven Kanälen durchgeführt, bestehend aus den beiden Produktionskanälen B+ → K+S und B0 → K∗0 S, und Zerfällen via S → e+e−/μ+μ−/π+π−/K+K−.
Zerfälle vom S in Standardmodellteilchen sind motiviert, wenn der direkte Zerfall in dunkle Materie kinematisch nicht möglich ist.
Mediatormassen zwischen (0.025-4.78) GeV/c2 und Lebenszeiten zwischen (0.001-400) cm werden untersucht.
Die Rekonstruktion von langlebigen Teilchen wird mithilfe von KS0-Mesonen studiert und validiert.
Die Anzahl an Signalkandidaten wird durch Fits mit der maximum-likelihood-Methode an die rekonstruierte S Massenverteilung bestimmt.
Kein statistisch signifikanter Hinweis auf die Signalprozesse wird gefunden.
Modellunabhängige obere Ausschlussgrenzen werden für die Verzweigungsverhältnisse der Signalprozesse bestimmt.
Die Ausschlussgrenzen erstecken sich bis runter auf die Größenordnung O(10−7).
Diese sind die ersten Beschränkungen für hadronische Endzustände des S produziert in B → KS , und die strengsten einer direkten Suche nach S → e+e− an e+e− Beschleunigern.
Die Ergebnisse werden in Modellen interpretiert, welche ein Higgs-ähnliches skalares Teilchen und ein Axion-ähnliches Teilchen mit Kopplungen an Fermionen vorhersagen.
Die modellabhängigen Beschränkungen sind konkurrenzfähig mit existierenden experimentellen Ausschlussgrenzen.
Phenomena such as dark matter can be connected to the standard model via additional spin-0 mediators. This doctoral thesis describes a search for a long-lived spin-0 particle S in rare B-meson decays mediated by b → s quark transitions. A dataset corresponding to an integrated luminosity of 189fb−1 of e+e− collisions collected at the Υ(4S) resonance energy by the Belle II experiment is analysed. The search is carried out in eight exclusive channels, the two modes of production B+ → K+S and B0 → K∗0 S with decays via S → e+e−/μ+μ−/π+π−/K+K−. Decays of the S to standard model particles are motivated if the decay to dark matter is kinematically not possible. Mediator masses between (0.025 − 4.78) GeV/c2 and lifetimes between (0.001 − 400) cm are probed. Long-lived particle reconstruction is studied and validated with KS0-mesons. Maximum likelihood fits to the reconstructed S mass distribution are S used to determine the signal yield. No evidence for the signal process is found. Model-independent upper limits are derived on the branching fractions of the signal processes. The upper limits extend down to the order of O(10−7). These are the first constraints on hadronic final states of the S produced in B → KS and the most stringent bounds from a direct search for S → e+e− at e+e− colliders. The results are interpreted in models that predict a dark Higgs-like scalar and an axionlike particle with fermion couplings. The model-dependent bounds are competitive with existing experimental constraints.