German Title: Suche für Lepton-Flavour-Verletzung in Vierkörper-Charm-Zerfällen mit LHCb

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Abstract

This dissertation presents a search for physics beyond the standard model by the study of lepton flavour violation in four-body charm decays. A search for the decays $D^0 \to \pi^- \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ , $D^0 \to K^- \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ and $D^0 \to K^- K^+ \mu^\pm e^\mp$ using data collected by the LHCb experiment is performed. These decays provide a unique opportunity to search for new physics in the up-type quark sector, similar to multiple searches performed in the down-type quark sector in other works. The decays are studied using proton-proton collision data corresponding to $6\,fb^{−1}$ of integrated luminosity recorded at a centre-of-mass energy of 13 TeV during the years 2015-2018. An expected upper limit on the branching fraction for these decays is estimated at the order of $10^{−8}$ . Furthermore, separate expected limits for decays with different relative charge constellations in the final dilepton state in respect to the flavour of the $D^0$ meson are reported, providing increased sensitivity to new physics scenarios. It is shown that the current best limit on the branching ratios can be improved by two orders of magnitude with the LHCb dataset. This analysis is performed on a blind dataset with possible $D^0 \to \pi^- \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ , $D^0 \to K^- \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ and $D^0 \to K^- K^+ \mu^\pm e^\mp$ candidates removed from the dataset. The results are therefore validated by performing an updated measurement of the branching fraction for $D^0 \to \pi^- \pi^+ \mu^- \mu^+$ and $D^0 \to K^- K^+ \mu^- \mu^+$ decays.

Translation of abstract (German)

Diese Dissertation befasst sich mit einer Suche nach Physik jenseits des Standardmodells durch die Untersuchung von Lepton-Flavour-Verletzung in Vierkörper-Charm-Zerfällen. Es wird eine Suche nach den Zerfällen $D^0 \to \pi^- \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ , $D^0 \to K^- \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ und $D^0 \to K^- K^+ \mu^\pm e^\mp$ unter Verwendung der vom LHCb-Experiment gesammelten Daten durchgeführt. Diese Zerfälle bieten eine einzigartige Gelegenheit, nach neuer Physik im Up-Typ-Quark-Sektor zu suchen, ähnlich wie bei mehreren Suchen im Down-Typ-Quark-Sektor in der Vergangenheit. Die Zerfälle werden anhand von Proton-Proton-Kollisionsdaten untersucht, die einer integrierten Luminosität von $6\,fb^{-1}$ entsprechen und bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV in den Jahren 2015-2018 aufgezeichnet wurden. Eine erwartete Obergrenze für den Verzweigungsverältnisse für diese Zerfälle wird bestimmt und liegt in der Größenordnung von $10^{-8}$. Darüber hinaus werden separate erwartete Grenzwerte für Zerfälle mit unterschiedlichen relativen Ladungskonstellationen im finalen Zwei-Leptonystem im Vergleich zum $D^0$-Meson angegeben, die eine erhöhte Empfindlichkeit für Szenarien der neuen Physik bieten. Es wird gezeigt, dass die derzeit beste Grenze für die Verzweigungsverhältnisse mit dem LHCb-Datensatz um zwei Größenordnungen verbessert werden kann. Für diese Analyse eine Blindstudie ist durchgeführt, wo mögliche $D^0 \to \pi^- \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ , $D^0 \to K^- \pi^+ \mu^\pm e^\mp$ und $D^0 \to K^- K^+ \mu^\pm e^\mp$ aus dem Datensatz entfernt werden. Die Ergebnisse sind daher durch eine aktualisierte Messung der Verzweigungsverhältnisse für $D^0 \to \pi^- \pi^+ \mu^- \mu^+$ und $D^0 \to K^- K^+ \mu^- \mu^+$ Zerfälle validiert.