Test of lepton flavour universality with rare beauty-quark decays at the LHCb experiment
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Date
2022
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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 π
πΎ with π΅+ β πΎ +β+ββ decays and π
πΎβ0 with π΅0 β πΎβ0β+ββ 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 π2, 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 π
πΎ and π
πΎβ0 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 π
πΎ at low π2 at LHCb and an
updated measurement of π
πΎβ0 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.
JΓΌngste Messungen der Lepton-Flavour-UniversalitΓ€t zeigen deutliche Hinweise auf eine Verletzung des Standardmodells der Teilchenphysik. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um die Anomalien mit erhΓΆhter SensitivitΓ€t zu bestΓ€tigen oder zu falsifizieren. Diese Dissertation beschreibt die erste simultane Messung der Lepton-Flavour-UniversalitΓ€ts-VerhΓ€ltnisse π πΎ mit π΅+ β πΎ +β+ββ-ZerfΓ€llen und π πΎβ0 mit π΅0 β πΎβ0β+ββ-ZerfΓ€llen unter Verwendung des gesamten derzeit verfΓΌgbaren Datensatzes des LHCb-Experiments, der in den Jahren 2011 bis 2018 aufgezeichnet wurde. Beide VerhΓ€ltnisse werden in jeweils zwei Bereichen von π2, der quadrierten invarianten Masse des Dilepton-Systems, bestimmt. Auch wenn die Zentralwerte der Ergebnisse blind sind und erst verΓΆffentlicht werden, wenn die Analyse den kollaborationsinternen ΓberprΓΌfungsprozess durchlaufen hat, zeigen die vorgestellten SensitivitΓ€ten fΓΌr π πΎ und π πΎβ0 bereits, dass dies der bisher genaueste Test der Lepton-Flavour-UniversalitΓ€t mit diesen ZerfΓ€llen sein wird. Die in dieser Dissertation beschriebene Analysearbeit umfasst die erste Messung von π πΎ im unteren π2-Bereich mit dem LHCb-Experiment und eine aktualisierte Messung von π πΎβ0 mit einem vergrΓΆΓerten Datensatz. Statistische und systematische Unsicherheiten sowie Korrelationen zwischen den vier Messungen werden dadurch erstmals kohΓ€rent bestimmt und ermΓΆglichen verbesserte Interpretationen. Die Kalibrierung der Simulation, welche zur Bestimmung der Selektionseffizienz verwendet wird, ist ein entscheidender Bestandteil der Analyse, um sicherzustellen, dass eine mΓΆgliche 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 KontrollkanΓ€len durchgefΓΌhrt, die so ausgewΓ€hlt werden, dass die Korrelationen zwischen Kalibrierungsund SignaldatensΓ€tzen minimiert werden. Das experimentelle Verfahren der Analyse wird durch mehrere stringente Cross-Checks validiert.
JΓΌngste Messungen der Lepton-Flavour-UniversalitΓ€t zeigen deutliche Hinweise auf eine Verletzung des Standardmodells der Teilchenphysik. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um die Anomalien mit erhΓΆhter SensitivitΓ€t zu bestΓ€tigen oder zu falsifizieren. Diese Dissertation beschreibt die erste simultane Messung der Lepton-Flavour-UniversalitΓ€ts-VerhΓ€ltnisse π πΎ mit π΅+ β πΎ +β+ββ-ZerfΓ€llen und π πΎβ0 mit π΅0 β πΎβ0β+ββ-ZerfΓ€llen unter Verwendung des gesamten derzeit verfΓΌgbaren Datensatzes des LHCb-Experiments, der in den Jahren 2011 bis 2018 aufgezeichnet wurde. Beide VerhΓ€ltnisse werden in jeweils zwei Bereichen von π2, der quadrierten invarianten Masse des Dilepton-Systems, bestimmt. Auch wenn die Zentralwerte der Ergebnisse blind sind und erst verΓΆffentlicht werden, wenn die Analyse den kollaborationsinternen ΓberprΓΌfungsprozess durchlaufen hat, zeigen die vorgestellten SensitivitΓ€ten fΓΌr π πΎ und π πΎβ0 bereits, dass dies der bisher genaueste Test der Lepton-Flavour-UniversalitΓ€t mit diesen ZerfΓ€llen sein wird. Die in dieser Dissertation beschriebene Analysearbeit umfasst die erste Messung von π πΎ im unteren π2-Bereich mit dem LHCb-Experiment und eine aktualisierte Messung von π πΎβ0 mit einem vergrΓΆΓerten Datensatz. Statistische und systematische Unsicherheiten sowie Korrelationen zwischen den vier Messungen werden dadurch erstmals kohΓ€rent bestimmt und ermΓΆglichen verbesserte Interpretationen. Die Kalibrierung der Simulation, welche zur Bestimmung der Selektionseffizienz verwendet wird, ist ein entscheidender Bestandteil der Analyse, um sicherzustellen, dass eine mΓΆgliche 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 KontrollkanΓ€len durchgefΓΌhrt, die so ausgewΓ€hlt werden, dass die Korrelationen zwischen Kalibrierungsund SignaldatensΓ€tzen minimiert werden. Das experimentelle Verfahren der Analyse wird durch mehrere stringente Cross-Checks validiert.
Description
Table of contents
Keywords
Teilchenphysik, LHCb-Experiment, CERN, Flavour-Physik, Seltene ZerfΓ€lle