Search for an invisibly decaying $Z^prime$ boson at Belle II in $e^+ e^- o μ^+ μ^- (e^pm μ^mp)$ plus missing energy final states

Belle II Collaboration,; Adachi, I.; Ahlburg, P.; Aihara, H.; Akopov, N.; Aloisio, A.; Anh Ky, N.; Asner, D. M.; Atmacan, H.; Aushev, T.; Aushev, V.; Aziz, T.; Babu, V.; Baehr, S.; Bambade, P.; Banerjee, Sw.; Bansal, V.; Barrett, M.; Baudot, J.; Becker, J.; Behera, P. K.; Bennett, J. V.; Bernieri, E.; Bernlochner, F. U.; Bertemes, M.; Bessner, M.; Bettarini, S.; Bianchi, F.; Biswas, D.; Bozek, A.; Bračko, M.; Branchini, P.; Briere, R. A.; Browder, T. E.; Budano, A.; Burmistrov, L.; Bussino, S.; Campajola, M.; Cao, L.; Casarosa, G.; Cecchi, C.; Červenkov, D.; Chang, M. -C.; Cheaib, R.; Chekelian, V.; Chen, Y. Q.; Chen, Y. -T.; Cheon, B. G.; Chilikin, K.; Cho, K.; Cho, S.; Choi, S. -K.; Choudhury, S.; Cinabro, D.; Corona, L.; Cremaldi, L. M.; Cunliffe, S.; Czank, T.; Dattola, F.; De La Cruz-Burelo, E.; De Nardo, G.; De Nuccio, M.; De Pietro, G.; de Sangro, R.; Destefanis, M.; Dey, S.; De Yta-Hernandez, A.; Di Capua, F.; Doležal, Z.; Domínguez Jiménez, I.; Dong, T. V.; Dort, K.; Dossett, D.; Dubey, S.; Duell, S.; Dujany, G.; Eidelman, S.; Eliachevitch, M.; Fast, J. E.; Ferber, T.; Ferlewicz, D.; Finocchiaro, G.; Fiore, S.; Fodor, A.; Forti, F.; Fulsom, B. G.; Ganiev, E.; Garcia-Hernandez, M.; Garg, R.; Gaur, V.; Gaz, A.; Gellrich, A.; Gemmler, J.; Geßler, T.; Giordano, R.; Giri, A.; Gobbo, B.; Godang, R.; Goldenzweig, P.; Golob, B.; Gomis, P.; Gradl, W.; Graziani, E.; Greenwald, D.; Guan, Y.; Hadjivasiliou, C.; Halder, S.; Hara, T.; Hartbrich, O.; Hayasaka, K.; Hayashii, H.; Hearty, C.; Hedges, M. T.; Heredia de la Cruz, I.; Hernández Villanueva, M.; Hershenhorn, A.; Higuchi, T.; Hill, E. C.; Hoek, M.; Hsu, C. -L.; Hu, Y.; Iijima, T.; Inami, K.; Inguglia, G.; Irakkathil Jabbar, J.; Ishikawa, A.; Itoh, R.; Iwasaki, Y.; Jacobs, W. W.; Jaffe, D. E.; Jang, E. -J.; Jeon, H. B.; Jia, S.; Jin, Y.; Joo, C.; Joo, K. K.; Kahn, J.; Kakuno, H.; Kaliyar, A. B.; Kandra, J.; Karyan, G.; Kato, Y.; Kawasaki, T.; Kim, B. H.; Kim, C. -H.; Kim, D. Y.; Kim, K. -H.; Kim, S. -H.; Kim, Y. K.; Kim, Y.; Kimmel, T. D.; Kindo, H.; Kleinwort, C.; Kodyš, P.; Kohani, S.; Komarov, I.; Korpar, S.; Kovalchuk, N.; Kraetzschmar, T. M. G.; Križan, P.; Kroeger, R.; Krokovny, P.; Kuhr, T.; Kumar, J.; Kumar, M.; Kumar, R.; Kumara, K.; Kurz, S.; Kuzmin, A.; Kwon, Y. -J.; Lacaprara, S.; La Licata, C.; Lanceri, L.; Lange, J. S.; Lautenbach, K.; Lee, I. -S.; Lee, S. C.; Leitl, P.; Levit, D.; L. K., Li; Y. B., Li; Libby, J.; Lieret, K.; Li Gioi, L.; Liptak, Z.; Liu, Q. Y.; Liventsev, D.; Longo, S.; Luo, T.; Maeda, Y.; Maggiora, M.; Manoni, E.; Marcello, S.; Marinas, C.; Martini, A.; Masuda, M.; Matsuda, T.; Matsuoka, K.; Matvienko, D.; Meggendorfer, F.; Mei, J. C.; Meier, F.; Merola, M.; Metzner, F.; Milesi, M.; Miller, C.; Miyabayashi, K.; Miyake, H.; Mizuk, R.; Azmi, K.; Mohanty, G. B.; Moon, T.; Morii, T.; Moser, H. -G.; Mueller, F.; Müller, F. J.; Muller, Th.; Muroyama, G.; Mussa, R.; Nakano, E.; Nakao, M.; Nayak, M.; Nazaryan, G.; Neverov, D.; Niebuhr, C.; Nisar, N. K.; Nishida, S.; Nishimura, K.; Nishimura, M.; Oberhof, B.; Ogawa, K.; Onishchuk, Y.; Ono, H.; Onuki, Y.; Oskin, P.; Ozaki, H.; Pakhlov, P.; Pakhlova, G.; Paladino, A.; Panta, A.; Paoloni, E.; Park, H.; Paschen, B.; Passeri, A.; Pathak, A.; Paul, S.; Peruzzi, I.; Peschke, R.; Pestotnik, R.; Piccolo, M.; Piilonen, L. E.; Popov, V.; Praz, C.; Prencipe, E.; Prim, M. T.; Purohit, M. V.; Rados, P.; Rasheed, R.; Reiter, S.; Remnev, M.; Resmi, P. K.; Ripp-Baudot, I.; Ritter, M.; Rizzo, G.; Rizzuto, L. B.; Robertson, S. H.; Rodríguez Pérez, D.; Roney, J. M.; Rosenfeld, C.; Rostomyan, A.; Rout, N.; Russo, G.; Sahoo, D.; Sakai, Y.; Sandilya, S.; Sangal, A.; Santelj, L.; Sartori, P.; Sato, Y.; Savinov, V.; Scavino, B.; Schueler, J.; Schwanda, C.; Seddon, R. M.; Seino, Y.; Selce, A.; Senyo, K.; Sfienti, C.; Shen, C. P.; Shiu, J. -G.; Shwartz, B.; Sibidanov, A.; Simon, F.; Sobie, R. J.; Soffer, A.; Sokolov, A.; Solovieva, E.; Spataro, S.; Spruck, B.; Starič, M.; Stefkova, S.; Stroili, R.; Strube, J.; Sumihama, M.; Sumiyoshi, T.; Summers, D. J.; Suzuki, S. Y.; Tabata, M.; Takizawa, M.; Tamponi, U.; Tanaka, S.; Tanida, K.; Taniguchi, N.; Taras, P.; Tenchini, F.; Torassa, E.; Trabelsi, K.; Tsuboyama, T.; Uchida, M.; Unger, K.; Unno, Y.; Uno, S.; Ushiroda, Y.; Vahsen, S. E.; van Tonder, R.; Varner, G. S.; Varvell, K. E.; Vinokurova, A.; Vitale, L.; Vossen, A.; Wakai, M.; Wakeling, H. M.; Wan Abdullah, W.; Wang, C. H.; Wang, M. -Z.; Warburton, A.; Watanabe, M.; Webb, J.; Wehle, S.; Wessel, C.; Wiechczynski, J.; Windel, H.; Won, E.; Yabsley, B.; Yamada, S.; Yan, W.; Yang, S. B.; Ye, H.; Yin, J. H.; Yonenaga, M.; Yuan, C. Z.; Yusa, Y.; Zani, L.; Zhang, Z.; Zhilich, V.; Zhou, Q. D.; Zhou, X. Y.; Zhukova, V. I.

doi:10.1103/PhysRevLett.124.141801

Using data collected by the Belle II experiment during 2018 at the SuperKEKB collider, we perform the first searches for the invisible decay of a $Z^prime$ in the process $e^+ e^- o mu^+ mu^- Z^prime$ and of a lepton-flavor-violating $Z^prime$ in $e^+ e^- o e^pm mu^mp Z^prime$. We do not find any excess of events and set 90$%$ credibility level upper limits on the cross sections of these processes. We translate the former, in the framework of an $L_mu-L_ au$ theory, into upper limits on the $Z^prime$ coupling constant at the level of $5 imes 10^-2div1$ for $M_Z^primeleq 6$ GeV/$c^2$.