Measurement of Isospin Asymmetry in B -> K µ+ µ- decays at the LHCb experiment

Abstract

Symmetries in the Standard Model of particle physics stem from fundamental aspects of the theory and play a determinant role in shaping our understanding of elementary particles. Isospin symmetry predicts nearly identical decay rates for processes differing only by a spectator quark, such as the rare decays B0 -> K0 mu+ mu- and B+ -> K+ mu+ mu-. The isospin asymmetry, defined as the difference in their partial widths, is a theoretically clean observable: dominant hadronic uncertainties cancel out, offering a precise test of the theory.

Previous measurements have hinted at coherent deviations from the Standard Model expectations, motivating a more precise determination using a larger dataset. This thesis details the complete strategy for an updated measurement of the differential branching fractions and isospin asymmetry of these decays, using the full proton-proton collision dataset collected by the LHCb experiment during Run 1 and Run 2, corresponding to 9/fb. The analysis is performed in intervals of the dimuon invariant mass squared, using the resonant decays B -> J/psi K as normalisation to reduce systematic uncertainties.

A blinded approach is adopted to prevent experimenter bias. Consequently, while the final numerical results are not included, this thesis details the comprehensive analysis strategy. All key aspects are presented, including the optimisation of the event selection, the calibration of the simulation, and the development of the simultaneous fitting framework. The robustness of the method is demonstrated through extensive validation using control modes and pseudo-experiments. Finally, the expected sensitivity of the measurement is evaluated, highlighting the potential of the full dataset to significantly improve the precision compared to previous results.Symmetrien im Standardmodell der Teilchenphysik entspringen fundamentalen Aspekten der Theorie und spielen eine bestimmende Rolle für unser Verständnis der Elementarteilchen. Die Isospin-Symmetrie sagt nahezu identische Zerfallsraten für Prozesse voraus, die sich nur durch ein Zuschauerquark unterscheiden, wie etwa die seltenen Zerfälle B0 -> K0 mu+ mu- und B+ -> K+ mu+ mu-. Die Isospin-Asymmetrie, definiert als die Differenz ihrer Partialbreiten, ist eine theoretisch saubere Observable: Dominierende hadronische Unsicherheiten heben sich auf, was einen präzisen Test der Theorie ermöglicht.

Frühere Messungen lieferten Hinweise auf kohärente Abweichungen von den Erwartungen des Standardmodells, was eine präzisere Bestimmung unter Verwendung eines größeren Datensatzes motiviert. Diese Arbeit beschreibt die vollständige Strategie für eine aktualisierte Messung der differenziellen Verzweigungsverhältnisse und der Isospin-Asymmetrie dieser Zerfälle unter Verwendung des gesamten Proton-Proton-Kollisionsdatensatzes, der vom LHCb-Experiment während Run 1 und Run 2 aufgezeichnet wurde und einer integrierten Luminosität von 9/fb entspricht. Die Analyse wird in Intervallen der quadrierten invarianten Dimuon-Masse durchgeführt, wobei die resonanten Zerfälle B -> J/psi K als Normalisierung verwendet werden, um systematische Unsicherheiten zu reduzieren.

Um eine unbewusste Beeinflussung zu vermeiden, wird ein verblindeter Analyseansatz (blinded analysis) gewählt. Folglich sind die endgültigen numerischen Ergebnisse nicht enthalten, jedoch beschreibt diese Arbeit die umfassende Analysestrategie. Alle wesentlichen Aspekte werden vorgestellt, einschließlich der Optimierung der Ereignisselektion, der Kalibrierung der Simulation und der Entwicklung des Frameworks für den simultanen Fit. Die Robustheit der Methode wird durch umfangreiche Validierung unter Verwendung von Kontrollkanälen und Pseudo-Experimenten demonstriert. Schließlich wird die erwartete Sensitivität der Messung evaluiert, wobei das Potenzial des vollen Datensatzes hervorgehoben wird, die Präzision im Vergleich zu früheren Ergebnissen signifikant zu verbessern.