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Journal Article PUBDB-2023-03709
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Search for lepton-flavor-violating $\tau$ decays to a lepton and an invisible boson at Belle II

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2023
APS College Park, Md.

Physical review letters 130(18), 181803 () [10.1103/PhysRevLett.130.181803]
 GO

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Report No.: Belle II Preprint 2022-007; KEK Preprint 2022-39; arXiv:2212.03634

Abstract: We search for lepton-flavor violating $\tau^-\to e^-\alpha$ and $\tau^-\to\mu^-\alpha$ decays, where $\alpha$ is an invisible spin-0 boson. The search uses electron-positron collisions at $10.58$ GeV center-of-mass energy with an integrated luminosity of $62.8$ fb$^{-1}$, produced by the SuperKEB collider and collected with the Belle II detector. We search for an excess in the lepton-energy spectrum of the known $\tau^-\to e^-\bar\nu_e \nu_\tau$ and $\tau^-\to \mu^-\bar\nu_\mu \nu_\tau$ decays. We report 95%-confidence-level upper limits on the branching-fraction ratio ${\mathcal B}(\tau^-\to e^- \alpha) / {\mathcal B}(\tau^- \to e^- \bar\nu_e \nu_\tau)$ in the range $(1.1-9.7) \times 10^{-3}$ and on ${\mathcal B}(\tau^-\to \mu^- \alpha) / {\mathcal B}(\tau^- \to \mu^- \bar\nu_\mu \nu_\tau)$ in the range $(0.7-12.2) \times 10^{-3}$ for $\alpha$ masses between $0$ GeV/c$^2$ and 1.6 GeV/c$^2$. These results provide the most stringent bounds on invisible boson production from $\tau$ decays.

Keyword(s): electron positron: annihilation ; electron positron: colliding beams ; tau: pair production ; tau: decay modes ; tau: rare decay ; lepton: flavor: violation ; branching ratio: ratio: measured ; tau: branching ratio ; mass dependence ; boson: production ; new particle ; boson: mass ; boson: spin ; spin: 0 ; boson: scalar ; KEK-B ; BELLE ; lepton: energy spectrum ; experimental results ; 10.58 GeV-cms

Classification:

Note: Phys. Rev. Lett. 130, 181803 (2023). 7 pages, 4 figures
Contributing Institute(s):
  1. BELLE II Experiment (BELLE)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
Experiment(s):
  1. KEK: BELLE I/II

Appears in the scientific report 2023
Database coverage:
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