Searches for lfu breaking at lhcb Flavour Physics Conference Julián García Pardiñas


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Searches for LFU breaking at LHCb

Flavour Physics Conference



Julián García Pardiñas

On behalf of the LHCb Collaboration

Universidade de Santiago de Compostela (Spain)

XIII Rencontres du Vietnam

Quy Nhon (Vietnam), August 15, 2017


Table of contents

Introduction

Semileptonic decays

Muonic R(D



)



Hadronic R(D

)



Rare b → sll decays

R(K)



R(K


)

Conclusions and outlook



1

Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017



Introduction

Overview of Lepton Flavour Universality (LFU)

The current situation

In the SM, the electroweak couplings of the gauge bosons are



independent on the lepton flavour → LFU

.

Some deviations

have been measured in decays to

τ/(µ, e)


τ/(µ, e)

τ/(µ, e)


and

to

µ/e



µ/e

µ/e


.

Potential NP candidates

: leptoquarks, H

±

, new Z bosons ...



Laboratory for LFU

B

B



decays

allow to compare the three families,

τ/µ/e.

Ratios of branching fractions

, e.g. R(D

)

B(



B→D

τν)



B(

B→D


µν)


.



Theoretically clean

(∼cancellation of QCD effects).



Experimentally clean

(∼cancellation of efficiency and

reconstruction effects).

2

Julián García Pardiñas (USC)



Rencontres du Vietnam

August 15, 2017



Aim of this talk: two-front LFU

R D


(∗)

B(

B → D



(∗)

τ



ν

τ

)/B(B → D



(∗)

µ



ν

µ

)



R D

(∗)


B(

B → D


(∗)

τ



ν

τ

)/B(B → D



(∗)

µ



ν

µ

)



R D

(∗)


B(

B → D


(∗)

τ



ν

τ

)/B(B → D



(∗)

µ



ν

µ

)



[b → cl

ν]

[b → cl



ν]

[b → cl


ν]

Tree level

in the SM.

Abundant decay.

Potential NP contributions that

couple mainly to the third family.

R K


(∗)

B(

B → K



(∗)

µ

+



µ

)/B(B → K



(∗)

e

+



e

)



R K

(∗)


B(

B → K


(∗)

µ

+



µ

)/B(B → K



(∗)

e

+



e

)



R K

(∗)


B(

B → K


(∗)

µ

+



µ

)/B(B → K



(∗)

e

+



e

)



[b → sll]

[b → sll]

[b → sll]

FCNC process

, rare decay,

forbidden at tree level in the SM.

Very sensitive to either tree or



loop NP

contributions.

3

Julián García Pardiñas (USC)



Rencontres du Vietnam

August 15, 2017



The LHCb detector

Advantages



Excellent vertexing,

tracking and PID

.

Large data statistics

from high b ¯b cross

section.


RICH detectors

Calorimeters

Challenges

Missing neutrinos

.

⇒ Unconstrained kinematics.



B-factories: use the information from the other B in Υ(4S) → BB.

LHCb: make use of approximations.



High track multiplicity

.

⇒ Significant amount of background, low



efficiency for electrons.

High particle momenta

.

⇒ Significant Bremsstrahlung for electrons.



4

Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017



Semileptonic decays

Results from the B factories

Before the first LHCb measurement

(2015), BaBar and Belle had already

observed some deviations in semileptonic B decays.

Deviation of 2

.0σ

2

.0σ



2

.0σ in R(D)

R(D)

R(D)


and 2

.7σ


2

.7σ


2

.7σ in R(D

)

R(D



)

R(D



).

Deviation of



3

.4σ


3

.4σ


3

.4σ


when combining R(D)

R(D)


R(D) and R(D

)



R(D

)



R(D

).



[Phys. Rev. D 88 (2013), 072012]

26

0.2



0.4

0.6


0.3

0.4


SM

σ

 1



σ

 2

σ



 3

σ

 4



σ

 5

R(D)



R

(D



)

FIG. 17. (Color online). Representation of χ

2

(Eq. 30) in



the

R(D)–R(D


) plane. The white cross corresponds to the

measured

R(D


(

∗)

), and the black cross to the SM predictions.



The shaded bands represent one standard deviation each.

distribution in the

R(D)–R(D

) plane. The contours are



ellipses slightly rotated with respect to the

R(D)–R(D


)

axes, due to the non-zero correlation.



For the assumption that

R(D


(

∗)

)



th

=

R(D



(

∗)

)



SM

, we


obtain χ

2

= 14.6, which corresponds to a probability



of 6.9

× 10


−4

. This means that the possibility that the

measured

R(D) and R(D

) both agree with the SM pre-



dictions is excluded at the 3.4σ level [42]. Recent calcu-

lations [7, 8, 43, 44] have resulted in values of

R(D)

SM

that slightly exceed our estimate. For the largest of those



values, the significance of the observed excess decreases

to 3.2σ.


B.

Search for a charged Higgs

To examine whether the excess in

R(D


(

∗)

) can be ex-



plained by contributions from a charged Higgs boson in

the type II 2HDM, we study the dependence of the fit

results on tanβ/m

H

+



.

For 20 values of tanβ/m

H

+

, equally spaced in the



[0.05, 1.00] GeV

−1

range, we recalculate the eight signal



PDFs, accounting for the charged Higgs contributions as

described in Sec. II. Figure 18 shows the m

2

miss


and

|p



|

projections of the D



0

τ ν


⇒ D

0

ℓ PDF for four values of



tanβ/m

H

+



. The impact of charged Higgs contributions

on the m


2

miss


distribution mirrors those in the q

2

distri-



0

5

10



0

0.05


0.1

0.15


0.2

0

0.5



1

1.5


2

0

0.5



1

1.5


Pr

o

b



a

b

il



it

y

/



G

eV

2



Pr

o

b



a

b

il



it

y

/



G

eV

m



2

miss


(GeV

2

)



|p



| (GeV)

SM

tanβ/m



H

+

= 0.3 GeV



−1

tanβ/m


H

+

= 0.5 GeV



−1

tanβ/m


H

+

= 1 GeV



−1

FIG. 18. (Color online). m

2

miss


and

|p



| projections of the

D

0

τ ν



⇒ D

0

ℓ PDF for various values of tanβ/m



H

+

.



0

0.5


1

100


105

110


0

0.5


1

100


105

110


0

0.5


1

200


400

600


0

0.5


1

800


900

1000


ε(

B



D

(∗

)



τ

ν



τ

)/

ε



SM

(%

)



B

D



(∗

)

τ



ν

τ



yi

el

d



tanβ/m

H

+



(GeV

−1

)



tanβ/m

H

+



(GeV

−1

)



FIG. 19. (Color online). Left: Variation of the B

→ Dτ


ν

τ



(top) and B

→ D


τ



ν

τ

(bottom) efficiency in the 2HDM



with respect to the SM efficiency. The band indicates the

increase on statistical uncertainty with respect to the SM

value. Right: Variation of the fitted B

→ Dτ


ν

τ



(top) and

B

→ D



τ



ν

τ

(bottom) yields as a function of tanβ/m



H

+

.



The band indicates the statistical uncertainty of the fit.

bution, see Fig. 3, because of the relation

m

2

miss



= p

e

+



e

− p



B

tag


− p

D

(



∗)

− p


2

= (q



− p

)



2

,

The changes in the



|p



| distribution are due to the change

in the τ polarization.

We recalculate the value of the efficiency ratio

ε

sig



norm


as a function of tanβ/m

H

+



(see Fig. 19).

The efficiency increases up to 8% for large values of

tanβ/m

H

+



, and, as we noted earlier, its uncertainty in-

creases due to the larger dispersion of the weights in the

2HDM reweighting.

The variation of the fitted signal yields as a function

of tanβ/m

H

+



is also shown in Fig. 19. The sharp drop in

the B


→ Dτ

ν



τ

yield at tanβ/m

H

+

≈ 0.4 GeV



−1

is due


to the large shift in the m

2

miss



distribution which occurs

when the Higgs contribution begins to dominate the total

rate. This shift is also reflected in the q

2

distribution and,



as we will see in the next section, the data do not support

it. The change of the B

→ D



τ



ν

τ



yield, mostly caused

by the correlation with the B

→ Dτ



ν



τ

sample, is much

smaller.

Figure 20 compares the measured values of

R(D) and

R(D


) in the context of the type II 2HDM to the theoret-

ical predictions as a function of tanβ/m

H

+



. The increase

in the uncertainty on the signal PDFs and the efficiency

ratio as a function of tanβ/m

H

+



are taken into account.

Other sources of systematic uncertainty are kept constant

in relative terms.

The measured values of

R(D) and R(D

) match



the predictions of this particular Higgs model for

tanβ/m


H

+

= 0.44



±0.02 GeV

−1

and tanβ/m



H

+

= 0.75



±

0.04 GeV


−1

, respectively. However, the combination of

R(D) and R(D

) excludes the type II 2HDM charged



Higgs boson at 99.8% confidence level for any value of

tanβ/m


H

+

, as illustrated in Fig. 21. This calculation is



only valid for values of m

H

+



greater than 15 GeV [5, 8].

The region for m

H

+

≤ 15 GeV has already been excluded



BaBar studies

disfavour Type-II 2HDM

[Phys. Rev. D 88 (2013), 072012]

More recent Belle studies

: compatibility with Type-II 2HDM in the

region around tan

β/M


H

+

0



.5 c

2

/GeV



[Phys. Rev. D 92 (2015), 072014]

and with leptoquarks

[Phys. Rev. D 94 (2016), 072007]

.

5



Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017


First LHCb measurement of

R(D


)

Data:

3 fb

−1

(Run 1), using



τ and µ (no electrons),

muonic decay of the

τ

.

R (D



)

B(



B → D

+



τ

ν



τ

)

B(



B → D

+



µ

ν



µ

)

with



τ



µ

ν



µ

ν

τ



Measure semileptonic decays to the same visible final state

D



+

µ



D

+



µ

D



+

µ



.

Separate



τ and µ components via a 3D binned template fit on the

m

2



miss

,

E



µ

and



q

2

variables.



Problem:

missing neutrinos

no analytical solution for p



B

p

B



p

B

.



Rest-frame approximation:

B

boost along z



>> boost of decay

products in B frame.

18% resolution on p

B

→ enough to



separate the components.

6

Phys. Rev. Lett. 115, 111803 (2015)



Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017


Results

Fit components:

τττ signal

and


µµµ normalisation

.

Backgrounds:



feed-down

from excited D states,



double charm

DD

(where one D decays semileptonically),



combinatorial

,

muon mis-ID

.

R(D


)

0



.336 ± 0.027(stat) ± 0.030(syst)

2

.1σ from SM



(R

SM

(D



)

0



.252 ± 0.003

[Phys.Rev.D85(2012) 094025]

)

- Comparable statistical and systematic uncertainties.



- Dominant syst.: size of the simulated samples (template shape ...).

7

Phys. Rev. Lett. 115, 111803 (2015)



Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017


Hadronic

R(D


)

in LHCb



Today:

first LHCb measurement of R(D

) using the



hadronic

τ decay


,

τ



π



π

+

π



(

π



0

)

ν



τ

, with Run 1 data.



Complementary to the muonic decay:

Explore a complementary data sample.



No charged leptons

in the final state:

→ Zero bkg. from usual SL decays!

K

had



(D

)



B(

B

0



→ D

∗−

τ



+

ν

τ



)

B(

B



0

→ D


∗−

π

+



π

π



+

)

, R(D



)

R(D



)

R(D



)

K



had

(D



B(

B



0

→ D


∗−

π

+



π

π



+

)

B(



B

0

→ D



∗−

µ

+



ν

µ

)



B(

B

0



→ D

∗−

τ



+

ν

τ



)

from a 3D binned template fit.

B(

B

0



→ D

∗−

π



+

π



π

+

)



from an un-binned fit to M(D

∗−

π



+

π



π

+

).



B(

B

0



→ D

∗−

π



+

π



π

+

)



external, from BaBar

[Phys. Rev. D94 (2016) 091101]

.

B(

B



0

→ D


∗−

µ

+



ν

µ

)



external, from the PDG.

8

LHCb-PAPER-2017-017, in preparation



Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017


Analysis strategy

Main background:

prompt D


∗−

π

+



π

π



+

X

(100x expected signal yield)



Reduction of O(10

−3

)

by



requiring a

minimum


τ flight

distance


.

Remaining background

dominated by

double-charm DD decays

.



Train a BDT against them

, using the 3

π dynamics, the D

∗−

3



π

dynamics and information of extra neutral tracks.

Structure of the

D



D

s

X



bkg. extensively studied in control samples.

Signal reconstruction:

some


approximations

are done to reconstruct

the B and

τ momenta. Only 2ν missing ⇒ reasonably good precision.



Fit variables:

output from BDT

against DD,

τττ decay time

(against


D

D



+

X

, due to the large D



+

lifetime) and

q

2

q



2

q

2



.

9

LHCb-PAPER-2017-017, in preparation



Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017


Results

R(D


)

0



.285 ± 0.019(stat) ± 0.025(syst) ± 0.014(ext)

- Dominant systematics: size of simulated samples.

- Room for progress both in the

internal and external sources

.

10

LHCb-PAPER-2017-017, in preparation



Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017


Global picture of

R(D


(∗)

)

LHCb combination



[FPCP 2017]

:

R(D


)

0



.306 ± 0.016 ± 0.022

2

.1σ above the SM



R(D*)

0.2


0.3

0.4


BaBar had. tag

 0.018


±

 0.024 


±

0.332 


Belle had. tag

 0.015


±

 0.038 


±

0.293 


Belle sl.tag

 0.011


±

 0.030 


±

0.302 


Belle (hadronic tau)

 0.027


±

 0.035 


±

0.270 


LHCb

 0.030


±

 0.027 


±

0.336 


LHCb (hadronic tau)

 0.029


±

 0.019 


±

0.285 


Average 

 0.007


±

 0.013 


±

0.304 


S. Fajfer et al. (2012) 

 0.003


±

0.252 


HFLAV

FPCP 2017

/dof = 0.4/ 1 (CL = 52.00 %)

2

χ

World average [HFLAV]:



R(D

)



0

.304 ± 0.013 ± 0.007

(3

.4σ from SM)



R(D)

R(D)


R(D) ⊕

⊕ R(D



)

R(D



)

R(D



is 4

.1σ

4

.1σ



4

.1σ from SM!

11

Julián García Pardiñas (USC)



Rencontres du Vietnam

August 15, 2017

R(D)

0.2


0.3

0.4


0.5

0.6


R(D*)

0.2


0.25

0.3


0.35

0.4


0.45

0.5


BaBar, PRL109,101802(2012)

Belle, PRD92,072014(2015)

LHCb, PRL115,111803(2015)

Belle, PRD94,072007(2016)

Belle, PRL118,211801(2017)

LHCb, FPCP2017

Average

SM Predictions



 = 1.0 contours

2

χ



R(D)=0.300(8) HPQCD (2015)

R(D)=0.299(11) FNAL/MILC (2015)

R(D*)=0.252(3) S. Fajfer et al. (2012)



HFLAV

FPCP 2017

) = 71.6%

2

χ

P(



σ

4

σ



2

HFLAV

FPCP 2017

Rare

b → sll


decays

Measurement of

R(K)


in LHCb

R(K)


dΓ(B


+

→ K


+

µ

+



µ

)/dq



2

dq

2



dΓ(B


+

→ K


+

e

+



e

)/dq



2

dq

2



q

2

: (dilepton invariant mass)



2

In 2014

, LHCb measured

R(K)

R(K)


R(K) for q

2

∈ [1 − 6]



q

2

∈ [1 − 6]



q

2

∈ [1 − 6] GeV



2

/c

4



2

/c

4



2

/c

4



, using Run 1 data.

Challenges:

low efficiency for electrons

and

Bremsstrahlung effects



(energy loss).

Signal

extracted via

invariant mass fits

.

R



LHCb

(K)


0

.745


+0.090

−0

.074



(stat) ± 0

.036(syst)

2

.6σ


2

.6σ


2

.6σ


from R

SM

(K)



1 ± O(10

−3

)



(

[Phys. Rev. Lett. 112, 149902]

and others)

12

Phys. Rev. Lett. 113, 151601 (2014)



Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017

BaBar


[PRD 86, 032012]

Belle


[PRL 103, 171801]

Measurement of

R(K


)

in LHCb



Today:

first Run 1 LHCb measurement of

R(K



)



R(K

)



R(K

in two q



2

q

2



q

2

regions

,

[0

.045 − 1.1] and [1.1 − 6] GeV



2

/c

4



, with K

∗0

→ K



+

π



.

To reduce systematics, R(K

) is obtained from a double ratio:



R(K

)



B(

B

0



→ K

∗0

µ



+

µ



)

B(

B



0

→ K


∗0

J/

ψ(→ (µ



+

µ



))

/

B(



B

0

→ K



∗0

e

+



e

)



B(

B

0



→ K

∗0

J/



ψ(→ (e

+

e



))

Bremsstrahlung effects:

Worse

B

mass resolution



.

Worse separation of

partially reconstructed backgrounds

.

Background from J/



ψ and ψ(2S)

leaking into the signal region.

13

arXiv:1705.05802 (2017)



Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017

J/

ψ



J/

ψ

J/



ψ −→

−→

−→



ψ(2S)

ψ(2S)


ψ(2S) −→

−→

−→



Radiative

tails

Analysis strategy

1. Maximise electron sample by combining

3 hardware (L0) trigger types

:

focused on



electrons

, on


hadrons

and


signal independent

.

2. To reduce Bremsstrahlung energy loss,



recover as many

γ as possible

.

3. Similar selection for muon and electron modes: vetoes against peaking



bkg., multivariate classifier, PID, removal of multiple candidates.

Simultaneous M(K

+

π



l

+



l

)



M(K

+

π



l

+



l

)



M(K

+

π



l

+



l

fit to the J/



ψ and non-resonant channels.

The electron sample is separated in the

3 trigger categories

and in


3

Bremsstrahlung categories

(0

γ, 1γ and ≥ 2γ recovered).



14

arXiv:1705.05802 (2017)

Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017


Results and global picture

q

2



bin

R

LHCb



(K

)



R

LHCb


(K

)



R

LHCb


(K

)



σ from SM

Low


0

.66


+0.11

−0

.07



± 0

.03


2

.1 − 2.3


Central

0

.69



+0.11

−0

.07



± 0

.05


2

.4 − 2.5


The result is statistically dominated.

Dominant syst.: corrections to simulation

+ residual background (for central q

2

).



BaBar:

[PRD 86 (2012), 032012]

Belle:

[PRL 103 (2009), 171801]



Several groups have done

global fits

of the


b → sll

b → sll


b → sll anomalies

(using the

effective Hamiltonian framework). For example, from

[arXiv:1704.05340 (2017)]

:

Some NP hypotheses



favoured at

3

σ



3

σ

3



σ

when using only R(K)

R(K)

R(K)


and R(K

)



R(K

)



R(K

).



When adding other results from b → sll, b →

µµ and b → sγ: several

NP hypotheses favoured at ∼ 5

σ

∼ 5



σ

∼ 5


σ.

Similar findings from other groups

[arXiv:1503.06199 (2015)] [ arXiv:1411.3161

(2015)] [ arXiv:1603.00865 (2016)]

.

15

arXiv:1705.05802 (2017)



Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017


Conclusions and outlook

Conclusions and outlook

LFU breaking

is a very promising



road to NP!

From the B-factories

+ LHCb:

Deviations of 

4

σ



∼ 4

σ

∼ 4



σ observed in semileptonic B decays.

Deviations of

2 − 3


σ

2 − 3


σ

2 − 3


σ observed in b → sll decays.

LHCb will be playing the mayor role

in the next years, both with new

analyses and with updates of the existing ones.

Run 2 data (expect 5 fb

−1

by 2018, at 13 TeV): significant improvement



on both statistical and systematic uncertainties!

Ongoing and planned semileptonic analyses:

R(D

0

), R(D



+

), R(D


s

), R(J/


ψ), R(Λ

c

), ...



Ongoing and planned rare decay analyses:

R(

φ), R(pK), R(Λ) ...



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Julián García Pardiñas (USC)

Rencontres du Vietnam

August 15, 2017



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