Test of light-lepton universality in tau decays with data from the Belle II experiment

Abstract

Diese Arbeit prüft die Universalität leichter Leptonen mit Hilfe des Belle II Experiments. Die verwendeten Daten stammen aus Elektron-Positron-Kollisionen des SuperKEKB-Beschleunigers in Tsukuba, Japan. Sie wurden bei einer Schwerpunktenergie von 10.58 GeV erfasst und entsprechen einer integrierten Luminosität von 362 fb$^{-1}$. Leptonen-Universalität ist ein grundlegendes Prinzip des Standardmodells der Teilchenphysik, welches besagt, dass die Kopplungsstärke der an der schwachen Wechselwirkung beteiligten Eichbosonen für alle Leptonen identisch ist. Dies ist nicht selbstverständlich, da zum Beispiel die Yukawa-Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld unterschiedlich stark für die einzelnen Leptonen ist. Präzisionsmessungen im Flavour-Sektor könnten Unterschiede mit theoretischen Berechnungen aufzeigen, was wiederum Hinweise auf die Antwort fundamentaler Fragen geben kann, wie etwa, warum drei Generationen von Quarks und Leptonen existieren. Mit der Entdeckung von Neutrino-Oszillationen ist es bereits erwiesen, dass einige Eigenschaften des Standardmodells, die als wahr angenommen wurden, in der Natur nicht realisiert sind und mehr Erkenntnisse darüber notwendig sind. Diese Dissertation zielt darauf ab, die Universalität von Elektronen und Muonen in geladenen Strömen der schwachen Wechselwirkung zu überprüfen, indem das Verhältnis der Kopplungskonstanten $g_{\mu}/g_{e}$ gemessen wird. Dieser Quotient kann mit den Verzweigungsverhältnissen $\tau^{\pm} \to \mu^{\pm} \nu \bar{\nu}$ und $\tau^{\pm} \to e^{\pm} \nu \bar{\nu}$ berechnet werden. Diese Arbeit verwendet $\tau$-Leptonen, die im Prozess $e^+e^- \to \tau^+\tau^-$ produziert wurden, wobei beide nur in ein geladenes Teilchen zerfallen. Jegliche signifikante Abweichung des Quotienten $g_{\mu}/g_{e}$ von 1 würde nahelegen, dass Leptonen-Universalität verletzt ist, zum Beispiel durch Wechselwirkungen mit bisher unbekannten Eichbosonen. Dies würde die bereits bestehenden Widersprüche im Flavour-Sektor erweitern, wie zum Beispiel die Hinweise auf Verletzung der Leptonen-Universalität in semileptonischen Zerfällen von $B$-Mesonen, die Unstimmigkeiten bezüglich des Cabibbowinkels oder des anomalen magnetischen Dipolmoments des Muons. Der in dieser Arbeit gemessene Wert von $g_{\mu}/g_{e} = 0.9974 \pm 0.0019$ ist in Übereinstimmung mit dem Standardmodell. Die Präzision ist limitiert durch systematische Unsicherheiten einhergehend mit der Identifikation von Leptonen. Diese Messung ist der genaueste Test der Leptonen-Universalität in Zerfällen von $\tau$-Leptonen von einem einzelnen Experiment.

This thesis investigates light-lepton universality with electron-positron collision data from the Belle II experiment at the SuperKEKB accelerator in Tsukuba, Japan. The data were recorded at a centre-of-mass energy of 10.58 GeV and are equivalent to an integrated luminosity of 362 fb$^{-1}$. Lepton universality is a property of the Standard Model of particle physics that implies that all leptons have equal couplings to the electroweak gauge bosons. Such an identity is not obvious; for example, the Yukawa couplings with the Higgs field differ between the leptons. Precision measurements in the flavour sector can potentially uncover discrepancies with theoretical predictions, which could help answer profound questions, such as why there are three generations of quarks and leptons. With the observation of large neutrino mixing, it has already become evident that some properties of the Standard Model that were thought to be true are violated in nature, and further insights are needed. This thesis aims to test the universality of electrons and muons in charged current interactions by measuring the gauge coupling ratio $g_{\mu}/g_{e}$. This ratio can be obtained from the branching fractions of the decays $\tau^{\pm} \to \mu^{\pm} \nu \bar{\nu}$ and $\tau^{\pm} \to e^{\pm} \nu \bar{\nu}$. The approach for this work will be to measure these branching fractions using $\tau$ leptons produced in the process $e^+e^- \to \tau^+\tau^-$, with both decaying to only one charged particle. Any deviation of $g_{\mu}/g_{e}$ from unity would indicate that lepton universality is violated, for example, through interactions with new gauge bosons. This would complement existing anomalies in the flavour sector, such as indications of lepton universality violation in semileptonic $B$ decays, the Cabibbo angle anomaly, or the inconsistencies related to the anomalous magnetic dipole moment of the muon. The result of this measurement is $g_{\mu}/g_{e} = 0.9974 \pm 0.0019$, which is consistent with the Standard Model expectation. Its precision is limited by systematic uncertainties related to lepton identification. At the moment, this measurement is the most precise test of lepton universality using tau decays obtained from a single experiment.