Weltweit führende Grenzen für Axion-ähnliche Teilchen aus einer Belle-II-Suche

Die Belle-II-Kollaboration hat eine neue Suche nach axionähnlichen Teilchen (ALPs) durchgeführt, die über a→γγ zerfallen, und dabei die bislang strengsten Grenzen für die ALP-Photon-Kopplung bei ALP-Massen im GeV-Bereich festgelegt. Die Analyse basiert auf einer integrierten Luminosität von 408,1 fb⁻¹, die mit dem Belle-II-Detektor am SuperKEKB-Collider in Tsukuba, Japan, aufgezeichnet wurde. Die Suche zielt auf den Prozess e⁺e⁻ → γa ab, gefolgt vom Zerfall a → γγ, wobei Ereignisse mit drei rekonstruierten Photonen im Belle-II-Kristallkalorimeter verwendet werden. Der größte lokale Überschuss von 3,3 Standardabweichungen bei einer Masse von 0,22 GeV/c² reduziert sich unter Berücksichtigung des „Look-Elsewhere“-Effekts auf eine globale Signifikanz von 1,4 Standardabweichungen und wird nicht als Signal interpretiert. Die neuen Ausschlussgrenzen auf einem Konfidenzniveau von 95 % stellen gegenüber früheren Messungen eine Verbesserung um fast eine Größenordnung dar und reichen nun bis hinunter zu 10⁻⁴ GeV⁻¹.

ALPs tauchen in zahlreichen Erweiterungen des Standardmodells auf und könnten als Brücke zwischen der bekannten sichtbaren Materie und den dunklen Sektoren fungieren. Im Gegensatz zum ursprünglichen QCD-Axion sind Masse und Kopplungsstärke eines ALP nicht durch eine feste Beziehung verknüpft, sodass ein großer Parameterraum experimentell untersucht werden muss. Da der Viererimpuls der kollidierenden Strahlen weitaus genauer bekannt ist als die Energie jedes einzelnen im Kalorimeter gemessenen Photons, kann er bei einer kinematischen Anpassung als nahezu exakte Einschränkung behandelt werden, was zu einer Massenauflösung von nur 0,2 % für die schwersten ALPs führt. Ein neu entwickelter Ereignisklassifikator auf Basis eines neuronalen Netzwerks, der kinematische und topologische Eingabevariablen nutzt, unterdrückt den dominanten e+e– → γγ(γ)-Hintergrund im Vergleich zur vorherigen Belle-II-Analyse noch weiter.

Alexander Heidelbach, Giacomo De Pietro und Torben Ferber arbeiteten gemeinsam am KIT an der Analyse. Die Suche bildete das Thema der Doktorarbeit von Heidelbach, der mittlerweile als Postdoktorand an der LMU München tätig ist.

Die Arbeit wurde bei „Physics Review Letters“ (PRL) eingereicht; ein Preprint ist auf arXiv verfügbar.

Kontakt: Prof. Torben Ferber (torben ferber ∂does-not-exist.kit edu)