Tests of Lepton flavour universality in semileptonic D and B meson decays at the lhcb experiment

Resumo

In The Standard Model, the coupling between the leptons and the gauge bosons is independent of the lepton generation. This is called Lepton Flavour Universality (LFU). This thesis aims to test LFU by studying two different processes involving D and B meson decays using data recorded by the LHCb experiment. The first LFU test aims to measure the branching fraction ratio R(mu/e)=BF(D02Kmunu)/BF(D02Kenu). The result, which is still blinded, presents an uncertainty of 0.003(stat)+-0.013(syst). The second LFU test is a simultaneous measurement of R(D0) and R(D*0), defined as BF(B2D(*)0taunu)/BF(B2D(*)0lnu), where (l=mu,e). This thesis presents a model implemented to study one of the main background components of this study, the inclusive Ds23pi(X) decays, where the Ds decays in the tau decay vertex. En el Modelo Estándar de la física de partículas (SM), el acoplamiento entre los leptones y los bosones de gauge es independiente de la generación de leptones. Esta característica del SM se denomina Universalidad del Sabor del Leptón (LFU) y encontrar procesos que la violen podría ser una señal de nueva física (NP). Resultados experimentales recientes sobre pruebas de LFU con transiciones b → cℓνℓ y b → sℓℓ muestran una tensión respecto a las predicciones teóricas. Esta tesis pretende probar LFU estudiando dos procesos diferentes que implican decaimientos de mesones D y B, utilizando datos registrados por el experimento LHCb. El experimento LHCb se dedica a realizar medidas de física de sabores pesados y es un lugar excelente para buscar evidencias indirectas de NP. El experimento LHCb recogió datos de colisiones protón-protón en dos tomas, Run 1 (2010-2012) y Run 2 (2015-2018). La combinación de las dos muestras de datos corresponde a una luminosidad integrada de 9 fb−1. El detector LHCb Upgrade I comenzó a tomar datos en 2022, con el objetivo de registrar una luminosidad integrada de 50 fb−1 (300 fb−1) a finales de 2030 (2040). Está programado para funcionar a una luminosidad instantánea de 2 × 1033 cm2 s−1, lo que implica una mayor multiplicidad de colisiones pp inelásticas. El LHCb Upgrade I un sistema de trigger totalmente basado en software, por lo que el desarrollo de software y la migración de la línea de trigger son cruciales. En esta tesis, con el objetivo de optimizar los estudios de LFU en decaimientos Hb → Hcτ+ντ , donde el leptón τ es reconstruido por su decaimiento τ+ → π+π−π+ντ y Hb (Hc) es un hadrón con un quark b (c), se implementan líneas de trigger para estos procesos. El objetivo de la primera prueba LFU es medir el ratio de fracción de ramificación Rμ/e, definido como Rμ/e = B(D0 → K−μ+νμ)/B(D0 → K−e+νe). Los candidatos D0 se seleccionan a partir de las desintegraciones D∗+ → D0π+ y el neutrino no detectado se contabiliza utilizando dos métodos de reconstrucción independientes. El valor de Rμ/e se obtiene como el cociente entre el numero de eventos de las desintegraciones de señal D0 → K−ℓ+νℓ multiplicado por sus respectivas eficiencias. El valor de Rμ/e se ciega, resultando x.xxx±0.003±0.013, donde la primera incertidumbre se debe a la estadística y la segunda contribución es una estimación de la incertidumbre sistemática. El segundo estudio pretende probar la LFU considerando las desintegraciones B → D(∗)0τ+ντ , donde el τ se reconstruye usando desintegraciones τ+ → π+π−π+ντ . Los observables sensibles a LFU R(D0) y R(D∗0), definidos como la razón de fracciones de ramificación R(D(∗)0) = B(B → ¯D (∗)0τ+ντ )/ B(B → ¯D(∗)0ℓ+νℓ), se miden simultáneamente. Para separar las desintegraciones de señal, es de vital importancia modelar las principales contribuciones de fondo. Éstas se deben a desintegraciones doblemente encantadas, en las que un mes´on D+s , D+ o D0 desintegra en el vértice de desintegración 3π. En esta tesis se implementa un modelo para controlar las desintegraciones inclusivas D+s → π+π−π+(X). Se trata de un procedimiento de reponderación para corregir la simulación teniendo en cuenta los principales modos de desintegración D+s → π+π−π+(X). Las fracciones de bifurcación relativas obtenidas a partir del modelo concuerdan con la PDG [1] dentro de las incertidumbres. Finalmente, los resultados ciegos para R(D0) y R(D∗0) son respectivamente x.xx ± 0.093 ± 0.034% y x.xx ± 0.024 ± 0.029%, donde la primera contribución a la incertidumbre es debida a la estadística y la segunda es la incertidumbre sistemática. Este tesis está estructurada como sigue. La introducción se encuentra en el Capítulo 1. Las hipótesis se detallan en el Capítulo 2, donde se presentan los principios teóricos, y en el Capítulo 3, donde se informa del actual estado de los resultados experimentales. Los objetivos, la metodologíıa y los resultados de la tesis se abordan en las secciones especíıficas de los capítulos de análisis, Capítulo 5 y 6. Para el análisis de D0 → K−ℓ+νℓ, los objetivos y metodología del análisis se informan en la Sección 6.1.1 y los resultados en Sección 5.9; mientras que para el análisis de R(D(∗)0) los objetivos y metodología se enforman en la Sección 6.1 y los en la Sección 6.11. La descripción del detector LHCb Upgrade I y la selección del trigger para la actualización se reportan en el Capítulo 4 y la selección del trigger para la actualización se reportan en en el Capítulo 7. Finalmente, las conclusiones de la tesis se informan en el Capítulo 8 y el resumen de la tesis en gallego se encuentra en el Apéndice C. Todas las abreviaturas y acrónimos utilizados a lo largo de esta tesis se listan en la sección siguiente a las listas de figuras y tablas. Finalmente, en la sección final del documento se informa la bibliografía.