Search for Lepton Flavour Violating B+→K+τ±ℓ∓ Decays at Belle and Belle II
Loading...
DOI
Date
2026
Authors
Ur Rehman, Junaid
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Thesis supervisors
Publisher
The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences
License Type
Creative commons license
Abstract
Rozpady mezonów B naruszające zapach leptonowy stanowią jednoznaczny sygnał fizyki poza Modelem Standardowym (MS), gdyż w jego ramach są praktycznie zabronione. Rozpad B→Kτℓ (ℓ = e,µ) jest szczególnie czułym testem scenariuszy nowej fizyki, takich jak modele z lepto-kwarkami czy rozszerzonym sektorem Higgsa.
Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia rozwój nowych technik rekonstrukcji dedykowanych wymagającej topologii rozpadu B→Kτℓ w eksperymencie Belle II działającym przy zderzaczu SuperKEKB.
Kluczowym elementem analizy jest zastosowanie pół-leptonowego znakowania mezonu towarzyszącego. Choć metoda ta wprowadza brakującą energię po stronie znakującej, zapewnia istotnie wyższą efektywność w porównaniu z pełnym znakowaniem hadronowym. Spójność i skuteczność tej strategii osiągnięto poprzez wykorzystanie hadronowego rozpadu sygnałowego τ→(π/ρ)ν.
Wybór kanału τ→(π/ρ)ν powoduje, że po stronie sygnałowej występuje tylko jedno neutrino, co prowadzi do silnie ograniczonej konfiguracji kinematycznej. W połączeniu z dobrze zdefiniowanym stanem początkowym zderzeń e+e- oraz rekonstrukcją mezonu znakującego możliwe jest odtworzenie kinematyki rozpadu sygnałowego z dwuwartościową niejednoznacznością rozwiązań wynikającą z równań kwadratowych. Strategia ta pozwala odzyskać informacje niedostępne w standard- owych metodach oraz znacząco poprawia rozdzielczość sygnału względem procesów tła.
W pracy przedstawiono kompletny schemat analizy obejmujący modelowanie sygnału, strategie tłumienia tła, zastosowanie metod wielowymiarowej klasyfikacji, ocenę niepewności systematycznych oraz projekcje czułości przy rosnącej zakumulowanej świetlności. Opracowana metodologia stanowi skalowalne i eksperymentalnie solidne podejście do poszukiwań LFV w kanale B→Kτℓ.
Wykazano, że połączenie pół-leptonowego znakowania z kinematycznie ograniczonymi rozpadami τ otwiera nową perspektywę w badaniach naruszeń zapachu leptonu wzmacniając potencjał odkrywczy eksperymentu Belle II w dziedzinie precyzyjnej fizyki zapachu.
Lepton-flavor-violating (LFV) decays of B mesons provide unambiguous evidence of physics beyond the Standard Model (SM), as they are essentially forbidden within the SM framework. The decays B→Kτℓ (ℓ=e,µ) are particularly sensitive to new physics scenarios involving leptoquarks, extended Higgs sectors, or other sources of charged lepton flavor violation. This doctoral work presents the development of novel reconstruction techniques dedicated to the challenging topology of the B→Kτℓ decay at the Belle II experiment operating at the SuperKEKB e+e- collider. A central element of the analysis is the use of semileptonic tagging of the companion B meson. While semileptonic tagging introduces missing energy on the tag side, it provides significantly higher efficiency compared to fully hadronic tagging approaches. This choice becomes particularly powerful through the dedicated exploitation of the hadronic signal decay mode τ→(π/ρ)ν. By selecting τ→(π/ρ)ν, the signal side contains only a single neutrino, resulting in a constrained kinematic configuration. Combining the well-defined initial state of the e+e- collisions with the reconstructed tag-side kinematics enable the signal decay to be reconstructed up to a two-fold kinematic ambiguity arising from quadratic constraints. This strategy allows the recovery of otherwise inaccessible observables and provides strong discrimination against the background processes. The thesis presents the full analysis framework, including signal modeling, background suppression strategies, multivariate classification techniques, systematic uncertainty evaluation, and projected sensitivity with increasing integrated luminosity. The developed methodology establishes a scalable and experimentally robust approach to LFV searches in the B→Kτℓ channel. This work demonstrates that the combination of semileptonic tagging with kinematically constrained τ decays opens a new avenue for charged lepton flavor violation searches at Belle II, significantly enhancing the experiment’s discovery potential in precision flavor physics.
Lepton-flavor-violating (LFV) decays of B mesons provide unambiguous evidence of physics beyond the Standard Model (SM), as they are essentially forbidden within the SM framework. The decays B→Kτℓ (ℓ=e,µ) are particularly sensitive to new physics scenarios involving leptoquarks, extended Higgs sectors, or other sources of charged lepton flavor violation. This doctoral work presents the development of novel reconstruction techniques dedicated to the challenging topology of the B→Kτℓ decay at the Belle II experiment operating at the SuperKEKB e+e- collider. A central element of the analysis is the use of semileptonic tagging of the companion B meson. While semileptonic tagging introduces missing energy on the tag side, it provides significantly higher efficiency compared to fully hadronic tagging approaches. This choice becomes particularly powerful through the dedicated exploitation of the hadronic signal decay mode τ→(π/ρ)ν. By selecting τ→(π/ρ)ν, the signal side contains only a single neutrino, resulting in a constrained kinematic configuration. Combining the well-defined initial state of the e+e- collisions with the reconstructed tag-side kinematics enable the signal decay to be reconstructed up to a two-fold kinematic ambiguity arising from quadratic constraints. This strategy allows the recovery of otherwise inaccessible observables and provides strong discrimination against the background processes. The thesis presents the full analysis framework, including signal modeling, background suppression strategies, multivariate classification techniques, systematic uncertainty evaluation, and projected sensitivity with increasing integrated luminosity. The developed methodology establishes a scalable and experimentally robust approach to LFV searches in the B→Kτℓ channel. This work demonstrates that the combination of semileptonic tagging with kinematically constrained τ decays opens a new avenue for charged lepton flavor violation searches at Belle II, significantly enhancing the experiment’s discovery potential in precision flavor physics.
Description
Keywords
Citation
Sponsorship:
Narodowa Agencja Wymiany Akademickiej
Grantnumber:
License Type
Attribution-ShareAlike 4.0 International