Yulan Fan, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2026 :
" Suche nach den Zerfällen B → K (∗) ν ν̄ mithilfe einer inklusiven Tagging-Methode am Belle-II-Experiment"
"Searches for the B → K (∗) ν ν̄ decays using an inclusive tagging method at the Belle II experiment"
Summary
Die seltenen Zerfälle B → Kν ν̄ gehören zur Klasse der flavor-wechselnden neutralen Ströme, die im Standardmodell stark unterdrückt sind und daher empfindliche Sonden für neue Physik darstellen. Diese Zerfälle
sind theoretisch besonders sauber, da die Unsicherheiten hauptsächlich aus hadronischen Formfaktoren stammen, und ihre Verzweigungsverhältnisse mit hoher Präzision vorhergesagt werden können. Ihre experimentelle Untersuchung ist jedoch äußerst anspruchsvoll, da zwei nicht nachweisbare Neutrinos im
Endzustand auftreten. Dies erfordert ausgefeilte Rekonstruktionstechniken und eine robuste Unterdrückung
von Untergrundprozessen.
Diese Dissertation untersucht die Zerfälle B + → K + ν ν̄ und B 0 → K ∗0 ν ν̄ anhand von Daten mit einer integrierten Luminosität von 365 fb −1 , die bei der Υ(4S)-Resonanz im Belle-II-Experiment aufgezeichnet wurden.
Die Analysen verwenden die inklusive Tagging-Methode, bei der das Begleit-B-Meson inklusiv rekonstruiert
wird, um die Kinematik des Signalzerfalls zu erschließen. Dieser Ansatz ermöglicht deutliche Gewinne in der Signaleffizienz im Vergleich zum exklusiven Tagging, geht jedoch mit einer erhöhten Untergrundkomplexität
einher.
Das Verzweigungsverhältnis von B + → K + ν ν̄ wird aus einem Maximum-Likelihood-Fit bestimmt und ergibt [2.7 ± 0.5(stat) ± 0.5(syst)] × 10 −5 , was einer Signifikanz von 2.9 Standardabweichungen gegenüber der Standardmodell-Erwartung entspricht. Dieses Ergebnis belegt die experimentelle Realisierbarkeit der
inklusiven Tagging-Technik und hat bereits zu einer Verfeinerung theoretischer Vorhersagen geführt, die neue Untersuchungen möglicher Effekte jenseits des Standardmodells motivieren.
Aufbauend auf diesem Rahmen befindet sich die Analyse des Zerfalls B 0 → K ∗0 ν ν̄ derzeit in der Vor-Unblinding-Phase. Dieser Kanal stellt zusätzliche Herausforderungen dar, da die Formfaktoren des K ∗0 kom-
plexer sind und seine Endzustände eine höhere Spurenmultiplizität aufweisen. Dennoch folgt die Analyse einer ähnlichen Strategie wie im Fall von B + → K + ν ν̄, ergänzt durch gezielte Verbesserungen in der Un-
tergrundmodellierung und Ereignisselektion, die speziell an die Topologie des K ∗0 angepasst sind. Obwohl zum jetzigen Zeitpunkt keine Ergebnisse präsentiert werden, verspricht die Untersuchung von B 0 → K ∗0 ν ν̄
eine komplementäre Sensitivität gegenüber neuer Physik durch ihre einzigartige Helizitätsstruktur und kinematischen Eigenschaften.
Darüber hinaus beinhaltet diese Dissertation eine ergänzende Studie zu einem Untergrundfilter in der zen-tralen Driftkammer, der die Leistungsfähigkeit der Spurrekonstruktion von Belle II unter Hochuntergrund-Bedingungen verbessern soll. Unabhängig von den B → K (∗) ν ν̄-Analysen stellt diese Arbeit einen eigenständigen Beitrag zur Optimierung der Detektorleistung dar.
Titel
Kurzfassung
The rare decays B → Kν ν̄ represent a class of flavor-changing neutral current processes that are highly suppressed in the Standard Model and thus serve as sensitive probes for new physics. These decays are theoretically clean, with uncertainties primarily stemming from hadronic form factors, and their branching fractions are predicted with high precision. However, their experimental study poses significant challenges due to the presence of two un-detectable neutrinos in the final state, necessitating sophisticated reconstruction techniques and robust background suppress.on.
This thesis investigates the decays B + → K + ν ν̄ and B 0 → K ∗0 ν ν̄ using data corresponding to 365 fb −1 collected at the Υ(4S) resonance within the Belle II experiment. The analyses employ the inclusive tagging
method, in which the companion B meson is reconstructed inclusively to infer the kinematics of the signal-side decay. This approach provides substantial gains in signal efficiency compared to exclusive tagging, albeit
at the cost of increased background complexity.
The branching fraction of B + → K + ν ν̄ is extracted from a maximum likelihood fit, yielding [2.7±0.5(stat)±0.5(syst)] × 10 −5 , which corresponds to a significance of 2.9 standard deviations from the Standard Model
expectation. This measurement establishes the experimental viability of the inclusive tagging technique and has already prompted refinements of theoretical predictions, motivating renewed investigations into potential new physics effects.
Building upon this framework, the analysis of B 0 → K ∗0 ν ν̄ is currently in the pre-unblinding stage. This
channel poses additional challenges due to the more complex form-factor structure of the K ∗0 meson and
the higher track multiplicity of its final states. Nevertheless, the analysis follows a similar strategy to the
B + → K + ν ν̄ case, with dedicated improvements in background modeling and event selection tailored to
the K ∗0 topology. While no results are presented at this stage, the B 0 → K ∗0 ν ν̄ study is expected to provide
complementary sensitivity to new physics through its unique helicity structure and kinematic features.
In addition, this thesis includes a complementary study on a background filter in the central drift chamber, aimed at improving Belle II tracking performance under high-background conditions. While independent of the B → K (∗) ν ν̄ analyses, this work constitutes an independent contribution to optimization of the detector performance.