Test of lepton flavour universality with rare beauty-quark decays at the LHCb experiment

Abstract

Recent measurements of the lepton flavour universality show evidence of a violation of the Standard Model of particle physics. However, further investigation with higher sensitivity is needed to either falsify or confirm the anomalies. This thesis describes the first simultaneous measurement of the lepton flavour universality ratios 𝑅𝐾 with 𝐵+ → 𝐾 +ℓ+ℓ− decays and 𝑅𝐾∗0 with 𝐵0 → 𝐾∗0ℓ+ℓ− decays using the entire current available data set of the LHCb experiment recorded during the years 2011 to 2018. Both ratios are evaluated in two regions of 𝑞2, which is the squared invariant mass of the dilepton system. Even though the central values of the results are kept blind and will only be published once the analysis has passed the collaboration-internal review process, the presented sensitivities on 𝑅𝐾 and 𝑅𝐾∗0 already show that this will be the most precise test of lepton flavour universality with these decays to date. The analysis work described in this thesis comprises the first measurement of 𝑅𝐾 at low 𝑞2 at LHCb and an updated measurement of 𝑅𝐾∗0 with an enlarged data set. Statistical and systematic uncertainties as well as correlations between the four measurements are thus determined coherently for the first time and allow for improved interpretations. The calibration of the simulation used to determine the selection efficiency is a crucial component of the analysis to ensure that deviations of the measurements from the Standard Model expectation are not an effect due to remaining imperfections of the simulation. Therefore, a complex multi-stage calibration procedure has been developed together with an optimised selection strategy. Simulation of the signal decays is calibrated with the help of high-yield control samples chosen to minimise correlations between calibration and signal data sets. The experimental procedure of the analysis is validated by multiple stringent cross-checks.

Jüngste Messungen der Lepton-Flavour-Universalität zeigen deutliche Hinweise auf eine Verletzung des Standardmodells der Teilchenphysik. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um die Anomalien mit erhöhter Sensitivität zu bestätigen oder zu falsifizieren. Diese Dissertation beschreibt die erste simultane Messung der Lepton-Flavour-Universalitäts-Verhältnisse 𝑅𝐾 mit 𝐵+ → 𝐾 +ℓ+ℓ−-Zerfällen und 𝑅𝐾∗0 mit 𝐵0 → 𝐾∗0ℓ+ℓ−-Zerfällen unter Verwendung des gesamten derzeit verfügbaren Datensatzes des LHCb-Experiments, der in den Jahren 2011 bis 2018 aufgezeichnet wurde. Beide Verhältnisse werden in jeweils zwei Bereichen von 𝑞2, der quadrierten invarianten Masse des Dilepton-Systems, bestimmt. Auch wenn die Zentralwerte der Ergebnisse blind sind und erst veröffentlicht werden, wenn die Analyse den kollaborationsinternen Überprüfungsprozess durchlaufen hat, zeigen die vorgestellten Sensitivitäten für 𝑅𝐾 und 𝑅𝐾∗0 bereits, dass dies der bisher genaueste Test der Lepton-Flavour-Universalität mit diesen Zerfällen sein wird. Die in dieser Dissertation beschriebene Analysearbeit umfasst die erste Messung von 𝑅𝐾 im unteren 𝑞2-Bereich mit dem LHCb-Experiment und eine aktualisierte Messung von 𝑅𝐾∗0 mit einem vergrößerten Datensatz. Statistische und systematische Unsicherheiten sowie Korrelationen zwischen den vier Messungen werden dadurch erstmals kohärent bestimmt und ermöglichen verbesserte Interpretationen. Die Kalibrierung der Simulation, welche zur Bestimmung der Selektionseffizienz verwendet wird, ist ein entscheidender Bestandteil der Analyse, um sicherzustellen, dass eine mögliche Abweichung der Messung von der Erwartung des Standardmodells nicht ein Effekt durch verbliebene Imperfektionen der Simulation ist. Daher wurde ein komplexes mehrstufiges Kalibrierungsverfahren zusammen mit einer optimierten Selektionsstrategie entwickelt. Die Kalibrierung wird mit Hilfe von Kontrollkanälen durchgeführt, die so ausgewählt werden, dass die Korrelationen zwischen Kalibrierungsund Signaldatensätzen minimiert werden. Das experimentelle Verfahren der Analyse wird durch mehrere stringente Cross-Checks validiert.