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Search for a $\tau^+\tau^-$ resonance in $e^{+}e^{-}\rightarrow \mu^{+}\mu^{-} \tau^+\tau^-$ events with the Belle II experiment

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2023

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Report No.: Belle-II-preprint-2022-006; KEK-preprint-2022-32; arXiv:2306.12294

Abstract: We report the first search for a non-standard-model resonance decaying into $\tau$ pairs in $e^{+}e^{-}\rightarrow \mu^{+}\mu^{-} \tau^+\tau^-$ events in the 3.6-10 GeV/$c^{2}$ mass range. We use a 62.8 fb$^{-1}$ sample of $e^+e^-$ collisions collected at a center-of-mass energy of 10.58 GeV by the Belle II experiment at the SuperKEKB collider. The analysis probes three different models predicting a spin-1 particle coupling only to the heavier lepton families, a Higgs-like spin-0 particle that couples preferentially to charged leptons (leptophilic scalar), and an axion-like particle, respectively. We observe no evidence for a signal and set exclusion limits at 90% confidence level on the product of cross section and branching fraction into $\tau$ pairs, ranging from 0.7 fb to 24 fb, and on the couplings of these processes. We obtain world-leading constraints on the couplings for the leptophilic scalar model for masses above 6.5 GeV/$c^2$ and for the axion-like particle model over the entire mass range.

Keyword(s): lepton, family ; model, scalar ; GeV ; lepton: coupling: high ; axion-like particles ; BELLE ; branching ratio ; KEK-B

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

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Physical review letters 131(12), 121802 () [10.1103/PhysRevLett.131.121802]  GO OpenAccess  Download fulltext Files  Download fulltextFulltext by arXiv.org BibTeX | EndNote: XML, Text | RIS

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