Suche nach Dunkler Materie und Dunklen Kräften bei Belle II

Ziel dieses Antrages ist es, verschiedene Modelle für Dunkle Materie und für den Dunkle Sektor mittels der Daten des Belle II-Experimentes zu testen, das sich am asymmetrischen Elektron-Positron Beschleuniger SuperKEKB in Tsukuba (Japan) befindet. Innerhalb der 4-jährigen Projektlaufzeit wird die Entdeckung von Dunkler Materie, Dunklen Wechselwirkungen oder beidem angestrebt. Zur Suche nach dunkler Materie im niederen Massenbereich untersuchen wir Zerfälle in unsichtbare Endzustände mit fehlender Energie. Da unsichtbare Zerfälle des Y(1S) durch Beiträge von leichten, dunklen Teilchen verstärkt werden können, werden wir diese Prozesse mit bisher unerreichter Genauigkeit in Y(3S)-Zerfällen mit zwei Pionen rekonstruieren. Weiters suchen wir nach Elektron-Positron- Kollisionen in denen neben einem Myon-Paar ein Z-Boson, der hypothetische Vermittler einer dunklen Kraft, entsteht. Zunächst beschränken wir die Suche auf sichtbare Zerfälle des Z in zwei Myonen, legen aber gleichzeitig die Grundlage für das Verständnis von systematischen Effekten bei Belle II, um die Suche danach erstmalig auf unsichtbare Z-Zerfälle erweitern zu können, was eine natürliche Fortsetzung dieses Projektes darstellen würde.

Das FWF P31361-Projekt, durchgeführt zwischen 2018 und 2023, zielte darauf ab, die Produktion von Teilchen des Dunklen Sektors mithilfe von Daten des Belle II-Experiments zu erforschen. Dieses Unterfangen war Teil der fortlaufenden Suche in der Physik nach einem Verständnis der Dunklen Materie, einer bedeutenden, aber schwer fassbaren Komponente des Universums. Das Projekt hatte zum Ziel, diese Teilchen durch Elektron-Positron-Kollisionen zu suchen. Trotz erheblicher Herausforderungen, wie der Covid-19-Pandemie und der unzureichenden Leistung des SuperKEKB-Beschleunigers, die die verfügbare Datenmenge für Analysen einschränkten, erreichte das Projektteam wichtige Meilensteine. Wir konzentrierten uns auf die Suche nach "Dunklen Sektoren"-Teilchen, hypothetischen Teilchen, die Dunkle Materie erklären könnten. Einer der großen Erfolge des Projekts war die Suche nach unsichtbaren Zerfällen eines Z'-Bosons, das in Verbindung mit Myonen produziert wurde. Diese bahnbrechende Suche im Belle II-Experiment markierte das erste Forschungspapier von Belle II, veröffentlicht im Journal Physical Review Letters im Jahr 2020. Diese spezielle Suche untersuchte auch die mögliche Verletzung des Lepton-Geschmacks durch das Z'-Boson. Aufbauend auf diesem Schwung suchte das Team dann nach einem Dunklen Higgs-Boson mit geringer Masse, das zusammen mit einem Dunklen Photon produziert wurde, das muonische Zerfälle durchläuft. Diese Analyse, ein weiteres Novum für eine B-Fabrik, führte zum Ausschluss eines großen Parameterraums für die Existenz dieser Teilchen. Die Ergebnisse wurden 2023 in Phys. Rev. Lett. veröffentlicht. Darüber hinaus untersuchte das Projekt den muonischen Zerfall eines Z'-Bosons. Während die Ergebnisse dieser Studie noch innerhalb der Kollaboration überprüft werden, hat die Forschung die Empfindlichkeit früherer Experimente von Belle und Babar erreicht, allerdings mit nur einem Bruchteil der Daten. Im letzten Teil des Projekts wurde die Möglichkeit erforscht, diese Art von fundamentaler Physik mit Studien zu Gravitationswellen zu verknüpfen. Über die wissenschaftlichen Errungenschaften hinaus hatte das Projekt einen tiefgreifenden Einfluss auf die berufliche Entwicklung seiner Mitglieder. Der Hauptuntersuchungsleiter erhielt 2020 einen ERC Starting Grant, der seinen Forschungsbereich in Österreich erheblich erweiterte. Die für das Projekt eingestellten Doktoranden erhielten FWF-Schrödinger-Stipendien, die es ihnen ermöglichten, internationale Erfahrungen zu sammeln, bevor sie zur Gruppe zurückkehrten. Darüber hinaus wurden einige der Masterstudenten, die zum Projekt beitrugen, später als Doktoranden für das ERC-Projekt eingestellt. Das Projekt führte auch zu bedeutenden Kollaborationen mit internationalen Gruppen und verstärkte so die globale Wirkung der Forschung. Die Teammitglieder hatten Möglichkeiten zur beruflichen Weiterentwicklung, einschließlich der Teilnahme an Konferenzen und Beiträgen zum Belle II-Experiment, obwohl die Pandemie Reisen und persönliche Interaktionen einschränkte. Zusammenfassend trug das FWF P31361-Projekt nicht nur zum Verständnis der Dunklen Materie durch innovative Suchen beim Belle II-Experiment bei, sondern förderte auch die berufliche Entwicklung und internationale Zusammenarbeit, wodurch das Gebiet der Teilchenphysik bereichert wurde.