German Title: Die Suche nach tau -> mu mu mu bei LHCb

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Abstract

The charged lepton flavour violating decay tau -> mu mu mu is searched for, using the LHCb experiment. Violation of lepton flavour in the charged lepton sector is unobserved to date. Within the Standard Model of particle physics including neutrino oscillation, the branching fraction is expected to be umeasureable small and an observation would be an unambiguous sign for physics beyond the Standard Model. Over 10^11 tau leptons have been produced in proton-proton collisions at LHCb during the first run of the LHC. Most of them in decays of Ds mesons. Compared to previous experiments at electron-positron colliders, the signature of tau -> mu mu mu is harder to identify in hadronic collisions and background processes are more abundant. A multivariate event classification has been developed to distinguish a possible signal from background events. The number of tau leptons produced in the LHCb acceptance is estimated by measuring the yield of Ds -> phi(mu mu) pi decays. The sensitivity reached by analysing LHCb data corresponding to 3 fb^-1 is sufficient to constrain the branching fraction of tau -> mu mu mu to be smaller than 7.1 x 10^-8 at 90% confidence level.

Translation of abstract (German)

Am LHCb Experiment wird nach dem Leptonfamilienzahl verletzenden Zerfall tau -> mu mu mu gesucht. Die Verletzung der Leptonfamilienzahl ist bei geladenen Leptonen bisher nicht beobachtet worden. Auch unter Berücksichtigung der Neutrinooszillation wird ein unbeobachtbar kleines Verzweigungsverhältnis im Standardmodell der Teilchenphysik vorher gesagt. Jegliche Beobachtung des Zerfalls wäre ein eindeutiges Zeichen für Physik jenseits des Standardmodells. Über 10^11 tau Leptonen wurden in Proton-Proton Kollisionen bei LHCb während der ersten Betriebsperiode des LHC produziert, die meisten davon in Zerfällen von Ds Mesonen. Verglichen mit früheren Experimenten, bei denen Elektron-Positron Kollisionen untersucht wurden, ist die Signatur des tau -> mu mu mu Zerfalls in hadronischen Kollisionen schwerer zu identifizieren und Untergrundprozesse sind zahlreicher. Um ein mögliches Signal von Untergrundereignissen zu unterscheiden wurde eine multivariate Klassifizierung von Ereignissen entwickelt. Die Anzahl an tau Leptonen, die in der LHCb Detektorakzeptanz produziert wurden, wird anhand der beobachteten Ds -> phi(mu mu) pi Ereignisse bestimmt. Die Analyse von LHCb Daten, die einer integrierten Luminosität von 3 fb^-1 entsprechen, ermöglicht es, Verzweigungsverhältnisse von tau -> mu mu mu, die größer als 7,1 x 10^-8 sind, bei einem 90% Konfidenzintervall auszuschließen.