Search for the B-> Knunu decay with the inclusive tag technique at Belle

Abstract

Diese Dissertation behandelt eine Suche nach dem seltenen Zerfall B+ -> K+ nu anti-nu unter Verwendung eines inklusiven Tagging-Ansatzes. Dieser Zerfall erfolgt ueber einen flavour-changing neutral-current Uebergang, der im Standardmodell stark unterdrueckt ist und daher sensitiv auf moegliche Beitraege von Physik jenseits des Standardmodells ist. Die Analyse verwendet den vollstaendigen Belle-Datensatz, der auf der Upsilon(4S)-Resonanz mit dem KEKB-Beschleuniger in den Jahren 1999-2010 aufgenommen wurde und 772 Millionen B Bbar-Paare umfasst.Die Rekonstruktion von B+ -> K+ nu anti-nu ist experimentell anspruchsvoll, da der Endzustand zwei Neutrinos enthaelt, die im Detektor keine direkte Signatur hinterlassen. Beim inklusiven Tagging-Ansatz wird der Signalzerfall anhand eines geladenen Kaon-Kandidaten rekonstruiert, waehrend die uebrigen Teilchen im Ereignis verwendet werden, um die Eigenschaften des begleitenden B-Mesons zu bestimmen und die Ereigniskinematik einzuschraenken. Eine zweistufige Strategie mit Boosted Decision Trees wird eingesetzt, um die dominanten Untergrundbeitraege zu unterdruecken und gleichzeitig eine hohe Signaleffizienz zu erhalten.Die Analysestrategie wurde anhand simulierter Datensaetze entwickelt, die den Belle-Datensatz repraesentieren. Die Modellierung des Untergrunds wurde mittels mehrerer Kontrolldatensaetze untersucht, darunter Off-Resonanz-Daten sowie Ereignisse mit alternativen Selektionen des Signalteilchens. Die Signaleffizienz wurde mit einer Embedding-Kontrollstudie validiert. Die Signalausbeute wird mittels eines gebinnten Maximum-Likelihood-Template-Fits extrahiert, wobei die relevanten Quellen systematischer Unsicherheiten als Nuisance-Parameter beruecksichtigt werden.Zum Zeitpunkt der Fertigstellung dieser Dissertation befindet sich die Analyse in der internen Begutachtung der Kollaboration. Daher wird in dieser Arbeit keine gemessene Verzweigungsfraktion angegeben. Die Ergebnisse basieren auf simulierten Datensaetzen und werden als erwartete Sensitivitaet dargestellt:sigma_B(B+ -> K+ nu anti-nu) = [3.53(stat) combined in quadrature with 8.81(syst)] x 10^(-6),was einer gesamten erwarteten Unsicherheit von 9.49 x 10^(-6) entspricht.Obwohl die erwartete Gesamtunsicherheit betraechtlich ist und von systematischen Effekten dominiert wird, bleibt sie vergleichbar mit der Unsicherheit, die mit hadronischen Tagging-Ansaetzen erreicht wird. Diese Analyse liefert daher einen wichtigen unabhaengigen Beitrag zur experimentellen Untersuchung von B+ -> K+ nu anti-nu, insbesondere im Hinblick auf zukuenftige Kombinationen von Ergebnissen aus unterschiedlichen Rekonstruktionsstrategien.

This thesis presents a search for the rare decay B+ -> K+ nu anti-nu using an inclusive tagging approach. This decay proceeds through a flavour-changing neutral-current transition, which is highly suppressed in the Standard Model and is therefore sensitive to possible contributions from physics beyond the Standard Model. The analysis uses the full Belle dataset collected at the Upsilon(4S) resonance with the KEKB collider in 1999-2010, corresponding to 772 million B Bbar pairs.The reconstruction of B+ -> K+ nu anti-nu is experimentally challenging because the final state contains two neutrinos, which leave no direct signature in the detector. In the inclusive tagging approach, the signal decay is reconstructed from a charged kaon candidate, while the remaining particles in the event are used to infer the properties of the accompanying B meson and constrain the event kinematics. A two-stage boosted decision tree strategy is employed to suppress the dominant background contributions while retaining high signal efficiency.The analysis strategy was developed using simulated samples representative of the Belle dataset. The background modelling was studied with several control samples in the data, including off-resonance data and samples obtained with alternative signal-particle selections. The signal efficiency was validated using an embedding control sample. The signal yield is extracted with a binned maximum-likelihood template fit, in which the relevant sources of systematic uncertainty are included as nuisance parameters.At the time of writing, the analysis is undergoing internal collaboration review. Therefore, no measured branching fraction is reported in this thesis. The results are based on simulated samples and are presented as an expected sensitivity:sigma_B(B+ -> K+ nu anti-nu) = [3.53(stat) combined in quadrature with 8.81(syst)] x 10^(-6),corresponding to a total expected uncertainty of 9.49 x 10^(-6).Although the total expected uncertainty is sizeable and dominated by systematic effects, it remains comparable to the uncertainty obtained with hadronic tagging approaches. Therefore, this analysis provides an important independent input to the experimental study of B+ -> K+ nu anti-nu, particularly for future combinations of results from different reconstruction strategies.