Erste direkte Messung des Zerfalls Bs0 -> tau+ tau- und Suche nach Neuer Physik

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist sehr erfolgreich bei der Beschreibung von fundamentalen Wechselwirkungen, von der Atomphysik bis zu TeV-Energien. Allerdings ist es auch unvollständig, da es die Massen und Mischungsparameter seiner fundamentalen Teilchen nicht erklärt und auch keinen Kandidaten für die Dunkle Materie enthält, die fünf Mal häufiger als gewöhnliche Materie im Universum vorkommt. Die Suche nach Neuer Physik jenseits des Standardmodells ist somit die höchste Priorität der heutigen Teilchenphysik. Die jüngste Entdeckung eines Higgs-ähnlichen Teilchens am Large Hadron Collider legt nahe, dass Neue Physik im TeV-Energiebereich hervortritt. Allerdings haben direkte Suchen bisher keinerlei Hinweise geliefert. In dieser Situation spielen indirekte Suchen, wie Präzisionsmessungen in der Flavour-Physik, eine entscheidende Rolle bei der Klärung der experimentellen Lage, da sie auch Skalen weit jenseits des TeV- Bereichs testen können. Der Zweck meines Antrages ist die erste direkte Messung des Zerfalls B0s + - mit den Y(5S) Daten des Belle-Experimentes. Dieser Zerfall kann durch zahlreiche Erweiterungen des Standardmodells beeinflusst werden, wie z.B. dem Typ II zwei Higgs-Dublett-Modell (einschließlich supersymmetrischer Modelle), dem Leptoquark-Modell oder Modelle mit einem Flavour-veränderndem Z` Boson. Dieser Zerfall ist auch ein heißer Kandidat zur Erklärung der anomal großen CP-verletzenden Dimyon-Ladungsasymmetrie in B-Mesonzerfällen, die durch das D0-Experiment beobachtet wurde. Trotz der Bemühungen von CDF und LHCb ist die experimentelle Situation immer noch ungeklärt und mein Projekt wird hier das letzte Wort sprechen. Meine Messung verwendet den 121fb-1 Datensatz, den Belle auf der Y(5S)-Resonanz aufgezeichnet hat und den ich intensiv für meine Doktorarbeit analysiert habe. Aufgrund dieser Erfahrung bin ich in einer idealen Ausgangsposition, um diese sehr anspruchsvolle Mode zu studieren. Da die Tau-Leptonen zerfallen, bevor sie eine aktive Oberfläche des Detektors erreichen, enthält der Endzustand bis zu vier Neutrinos, was diese Messung bei Hadronkollider-Experimenten wie CDF, D0 oder LHCb unmöglich macht. Der Zerfall B0 + -, der Schwesterzerfall in den Y(4S)-Daten, wurde dagegen bereits erfolgreich an Leptonkollidern untersucht: Basierend auf dieser BaBar-Studie, erwarte ich eine experimentelle Sensitivität von 1,95% im Verzweigungsverhältnis. Dies ist mehr als ausreichend, um die D0-Anomalie zu klären und liegt sogar im Signalbereich einiger Modelle für Neue Physik. Der Gesamtbetrag der Mittel, die ich für mein Projekt beantrage, ist EUR 229,223.26. Dies umfasst meine eigene Finanzierung als Principal Investigator für eine Dauer von 36 Monaten, Arbeitsverträge für Diplomanden und Reisekosten für die Teilnahme an Belle-Kollaborationstreffen.

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine äußerst erfolgreiche Theorie zur Beschreibung der fundamentalen Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen. Allerdings ist es unvollständig, da die bekannten Elementarteilchen lediglich etwa 5% der gesamten Energie des Universums ausmachen und weitergehende Fragen offen bleiben, z.B. die Massen der Elementarteilchen betreffend. Die Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells hat somit die höchste Priorität in der heutigen Teilchenphysik, doch direkte Suchen haben bisher keine klaren Hinweise auf neue physikalische Prozesse geliefert.Daher sind indirekte Suchen, z.B. Präzisionsmessungen in der Flavour-Physik, eine entscheidende Methode um kleinste Abweichungen von den Vorhersagen des Standard-modells zu beobachten. Dieses Projekt diente zur ersten direkten Messung des Zerfalls B0s??+?- am Belle Experiment in Tsukuba, Japan. Verschiedenste Theorien sagen für diesen Zerfall vorher, dass dessen Zerfallswahrscheinlichkeit stark von bisher unbekannten Physikprozessen beeinflusst werden kann.Als Grundlage der Studien diente der sogenannte ?(5S) Datensatz des Belle Experimentes der ungefähr 7.11.3 Millionen Paare aus B0s Mesonen enthält. Da die ? Leptonen zerfallen, bevor sie eine aktive Oberfläche des Detektors erreichen, enthält der Endzustand dieses Zerfalls bis zu vier Neutrinos die keine messbare Energie oder Spur im Detektor hinterlassen.Um den zusätzlichen Untergrund der aus dieser fehlenden Information entsteht zu reduzieren,ss wird nicht nur der Signalzerfall (B0 ??+?-) rekonstruiert, sondern auch das zweite B0s Meson, damit die Tochterteilchen des zweiten Mesons auf der Signalseite keinen Untergrund produzieren können.Um diese Methode zu realisieren wurde innerhalb dieses Projektes eine Software entwickelt und implementiert, welche mehr als 5000 exklusive B0s Zerfälle rekonstruiert und die Ergebnisse abspeichert. Um mögliche falsch rekonstruierte Zerfälle in diesen Rekonstruktionen zu reduzieren, wurden über 100 neuronale Netzwerke trainiert, die Signalereignisse von Untergrund unterscheiden können.