Test of lepton flavour universality with the simultaneous measurement of R(D+) and R (D*+) with τ→ μνν decays at the LHCb experiment

In the Standard Model of particle physics, the coupling of the electroweak gauge bosons to the leptons is independent of the lepton flavour. This property, known as Lepton Flavour Universality, is an accidental symmetry of the Standard Model, which can be tested in semileptonic b-meson decays. The variables used to test the Lepton Flavour Universality hypothesis are ratios of branching fractions between decays with the τ lepton and the ones with the μ lepton in the final state: R(Hc) = B(B → Hc τ ν) / B(B → Hc μν) with Hc a charmed meson produced in the decay. Any sign of deviation with respect to the Standard Model predictions in these variables could be a clear sign of New Physics effects. A tension at the level of 3σ with respect to the Standard Model predictions has been observed in the combination of the measurements of R(D) and R(D*) performed by the Belle, BaBar and LHCb collaborations. At the time of writing of this thesis, no measurement of the R(D) parameter has been performed by any hadron collider experiment. This thesis reports a simultaneous measurement of the R(D+) and R(D*+) parameters performed using B → D(*)lν decays. This measurement exploits leptonic decays of the τ lepton, τ → μνν , using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 2.0 /fb collected in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV at the LHCb experiment during the 2015 and 2016 data taking years. All the steps of the analysis have been performed and all the main systematic uncertainties have been studied. The value of the measured parameters is still blinded and the analysis is in internal review within the LHCb collaboration. The expected uncertainty on the parameters of interest is given by R(D+) = xxx ± 0.033(stat.) ± 0.037(syst.), R(D*+)= xxx ± 0.040(stat.) ± 0.070(syst.).

Nel Modello Standard delle interazioni fondamentali l’accoppiamento dei bosoni di gauge ai leptoni è indipendente dal flavour leptonico. Questa proprietà, conosciuta come Universalit di Flavour leptonico, è una simmetria accidentale del modello che pu essere testata in decadimenti semileptonici di mesoni contententi quark di tipo b. Le variabili usate per testare l’Universalità di Flavour leptonico sono rapporti di ratei di decadimento tra transizioni con un leptone τ e transizioni con un leptone μ nello stato finale: R(H c ) = B(B → Hc τ ν) / B(B → Hc μν), con Hc che rappresenta un mesone contenente un quark c prodotto nel decadimento. L’osservazione di qualsiasi segno di deviazione in queste variabili rispetto alle previsioni del Modello Standard potrebbe essere un chiaro segno dell’effetto di effetti di nuova fisica. Combinando le misure dei parameteri R(D) e R(D*) effettuate dalle collaborazioni Belle, BaBar e LHCb, è stata osservata una tensione rispetto alle previsioni del Modello Standard a livello di circa 3σ. Ad oggi nessuna misura del parametro R(D) è mai stata effettuata a collider adronici. Questa tesi riporta una misura simultanea dei parametetri R(D+) e R(D *+) effettuata tramite l’analisi di decadimenti B → D(*)l ν . Questa misura utilizza il decadimento leptonico del τ , τ → μνν, sfruttando un campione di 2.0 /fb di dati raccolto in collisioni protone-protone, ad un’energia nel centro di massa di 13 TeV dall’esperimento LHCb durante la presa dati degli anni 2015 e 2016. Tutti i passi dell’analisi sono stati effettuati e le principali incertezze sistematiche sono state valutate. Il valore dei parametri è ancora blinded e l’analisi è in revisione interna presso la collaborazione LHCb. L’incertezza attesa associata ai parametri di interesse è: R(D + ) = xxx ± 0.033(stat.) ± 0.037(syst.), R(D *+ ) = xxx ± 0.040(stat.) ± 0.070(syst.).