Search for lepton-flavor-violating $τ^- \to \ell^- K_s^0$ decays at Belle and Belle II
Belle, Belle II Collaborations, :, I. Adachi, L. Aggarwal, H. Ahmed, Y. Ahn, H. Aihara, N. Akopov, S. Alghamdi, M. Alhakami, A. Aloisio, N. Althubiti, K. Amos, M. Angelsmark, N. Anh Ky, C. Antonioli, D. M. Asner, H. Atmacan, V. Aushev, M. Aversano, R. Ayad, V. Babu, N. K. Baghel, S. Bahinipati, P. Bambade, Sw. Banerjee, M. Barrett, M. Bartl, J. Baudot, A. Baur, A. Beaubien, F. Becherer, J. Becker, J. V. Bennett, F. U. Bernlochner, V. Bertacchi, M. Bertemes, E. Bertholet, M. Bessner, S. Bettarini, B. Bhuyan, F. Bianchi, D. Biswas, A. Bobrov, D. Bodrov, A. Bondar, G. Bonvicini, A. Boschetti, A. Bozek, M. Bračko, P. Branchini, T. E. Browder, A. Budano, S. Bussino, Q. Campagna, M. Campajola, L. Cao, G. Casarosa, C. Cecchi, M. -C. Chang, R. Cheaib, P. Cheema, B. G. Cheon, K. Chilikin, J. Chin, K. Chirapatpimol, H. -E. Cho, K. Cho, S. -J. Cho, S. -K. Choi, S. Choudhury, J. Cochran, I. Consigny, L. Corona, J. X. Cui, E. De La Cruz-Burelo, S. A. De La Motte, G. de Marino, G. De Nardo, G. De Pietro, R. de Sangro, M. Destefanis, S. Dey, A. Di Canto, J. Dingfelder, Z. Doležal, I. Domínguez Jiménez, T. V. Dong, M. Dorigo, K. Dugic, G. Dujany, P. Ecker, D. Epifanov, J. Eppelt, P. Feichtinger, T. Ferber, T. Fillinger, C. Finck, G. Finocchiaro, A. Fodor, F. Forti, B. G. Fulsom, A. Gabrielli, A. Gale, M. Garcia-Hernandez, G. Gaudino, V. Gaur, V. Gautam, A. Gaz, A. Gellrich, G. Ghevondyan, D. Ghosh, H. Ghumaryan, G. Giakoustidis, R. Giordano, A. Giri, P. Gironella Gironell, A. Glazov, B. Gobbo, R. Godang, P. Goldenzweig, W. Gradl, E. Graziani, D. Greenwald, Z. Gruberová, Y. Guan, K. Gudkova, I. Haide, Y. Han, T. Hara, K. Hayasaka, H. Hayashii, S. Hazra, C. Hearty, M. T. Hedges, A. Heidelbach, I. Heredia de la Cruz, M. Hernández Villanueva, T. Higuchi, M. Hoek, M. Hohmann, R. Hoppe, P. Horak, C. -L. Hsu, T. Humair, T. Iijima, K. Inami, G. Inguglia, N. Ipsita, A. Ishikawa, R. Itoh, M. Iwasaki, P. Jackson, D. Jacobi, W. W. Jacobs, D. E. Jaffe, E. -J. Jang, S. Jia, Y. Jin, A. Johnson, K. K. Joo, H. Junkerkalefeld, A. B. Kaliyar, J. Kandra, K. H. Kang, G. Karyan, T. Kawasaki, F. Keil, C. Ketter, C. Kiesling, C. -H. Kim, D. Y. Kim, J. -Y. Kim, K. -H. Kim, Y. J. Kim, H. Kindo, K. Kinoshita, P. Kodyš, T. Koga, S. Kohani, K. Kojima, A. Korobov, S. Korpar, E. Kovalenko, R. Kowalewski, P. Križan, P. Krokovny, T. Kuhr, Y. Kulii, D. Kumar, J. Kumar, R. Kumar, K. Kumara, T. Kunigo, A. Kuzmin, Y. -J. Kwon, S. Lacaprara, K. Lalwani, T. Lam, L. Lanceri, J. S. Lange, T. S. Lau, M. Laurenza, K. Lautenbach, R. Leboucher, F. R. Le Diberder, M. J. Lee, C. Lemettais, P. Leo, H. -J. Li, L. K. Li, Q. M. Li, W. Z. Li, Y. Li, Y. B. Li, Y. P. Liao, J. Libby, J. Lin, S. Lin, V. Lisovskyi, M. H. Liu, Q. Y. Liu, Y. Liu, Z. Q. Liu, D. Liventsev, S. Longo, T. Lueck, C. Lyu, Y. Ma, C. Madaan, M. Maggiora, S. P. Maharana, R. Maiti, G. Mancinelli, R. Manfredi, E. Manoni, M. Mantovano, D. Marcantonio, S. Marcello, C. Marinas, C. Martellini, A. Martens, A. Martini, T. Martinov, L. Massaccesi, M. Masuda, D. Matvienko, S. K. Maurya, M. Maushart, J. A. McKenna, R. Mehta, F. Meier, D. Meleshko, M. Merola, C. Miller, M. Mirra, S. Mitra, K. Miyabayashi, H. Miyake, R. Mizuk, G. B. Mohanty, S. Mondal, S. Moneta, A. L. Moreira de Carvalho, H. -G. Moser, I. Nakamura, M. Nakao, Y. Nakazawa, M. Naruki, Z. Natkaniec, A. Natochii, M. Nayak, M. Neu, S. Nishida, S. Ogawa, R. Okubo, H. Ono, Y. Onuki, G. Pakhlova, S. Pardi, K. Parham, J. Park, K. Park, S. -H. Park, B. Paschen, A. Passeri, S. Patra, S. Paul, T. K. Pedlar, I. Peruzzi, R. Peschke, R. Pestotnik, M. Piccolo, L. E. Piilonen, P. L. M. Podesta-Lerma, T. Podobnik, S. Pokharel, A. Prakash, C. Praz, S. Prell, E. Prencipe, M. T. Prim, S. Privalov, H. Purwar, P. Rados, G. Raeuber, S. Raiz, V. Raj, K. Ravindran, J. U. Rehman, M. Reif, S. Reiter, M. Remnev, L. Reuter, D. Ricalde Herrmann, I. Ripp-Baudot, G. Rizzo, S. H. Robertson, J. M. Roney, A. Rostomyan, N. Rout, D. A. Sanders, S. Sandilya, L. Santelj, V. Savinov, B. Scavino, J. Schmitz, S. Schneider, G. Schnell, C. Schwanda, Y. Seino, A. Selce, K. Senyo, J. Serrano, M. E. Sevior, C. Sfienti, W. Shan, G. Sharma, C. P. Shen, X. D. Shi, T. Shillington, T. Shimasaki, J. -G. Shiu, D. Shtol, A. Sibidanov, F. Simon, J. B. Singh, J. Skorupa, R. J. Sobie, M. Sobotzik, A. Soffer, A. Sokolov, E. Solovieva, W. Song, S. Spataro, B. Spruck, M. Starič, P. Stavroulakis, S. Stefkova, R. Stroili, Y. Sue, M. Sumihama, K. Sumisawa, N. Suwonjandee, H. Svidras, M. Takahashi, M. Takizawa, U. Tamponi, K. Tanida, F. Tenchini, A. Thaller, O. Tittel, R. Tiwary, E. Torassa, K. Trabelsi, I. Tsaklidis, I. Ueda, T. Uglov, K. Unger, Y. Unno, K. Uno, S. Uno, P. Urquijo, Y. Ushiroda, S. E. Vahsen, R. van Tonder, K. E. Varvell, M. Veronesi, A. Vinokurova, V. S. Vismaya, L. Vitale, V. Vobbilisetti, R. Volpe, A. Vossen, M. Wakai, S. Wallner, M. -Z. Wang, A. Warburton, M. Watanabe, S. Watanuki, C. Wessel, E. Won, X. P. Xu, B. D. Yabsley, S. Yamada, W. Yan, S. B. Yang, J. Yelton, J. H. Yin, K. Yoshihara, C. Z. Yuan, J. Yuan, L. Zani, F. Zeng, M. Zeyrek, B. Zhang, V. Zhilich, J. S. Zhou, Q. D. Zhou, L. Zhu, R. Žlebčík
TL;DR
This work addresses charged-lepton-flavor violation in τ decays by searching for $τ^{-} \rightarrow \ell^{-}K_{S}^{0}$ with $\ell = e, μ$ using a combined data sample of $1.3\times 10^{9}$ $e^{+}e^{-} \rightarrow τ^{+}τ^{-}$ events from Belle II ($980~\mathrm{fb}^{-1}$) and Belle ($428~\mathrm{fb}^{-1}$). It employs a two-dimensional signal region in $M(\ell K_S^{0})$ and $ΔE(\ell K_S^{0})$, plus channel-specific boosted decision trees, to maximize background rejection while preserving signal efficiency. No significant excess is observed, yielding 90% C.L. upper limits: $B(τ^{-} \rightarrow e^{-}K_S^{0}) < 0.8\times 10^{-8}$ and $B(τ^{-} \rightarrow μ^{-}K_S^{0}) < 1.2\times 10^{-8}$, with the results representing the most stringent constraints on these LFV decays to date. These limits constrain new-physics scenarios that generate τ LFV interactions and provide valuable guidance for future high-statistics τ-lepton studies.
Abstract
We present the results of a search for charged-lepton-flavor violating decays $τ^{-} \rightarrow \ell^{-}K_{S}^{0}$, where $\ell^{-}$ is either an electron or a muon. We combine $e^+e^-$ data samples recorded by the Belle II experiment at the SuperKEKB collider (428 fb$^{-1}$) with samples recorded by the Belle experiment at the KEKB collider (980 fb$^{-1}$) to obtain a sample of 1.3 billion $e^+e^-\toτ^+τ^-$ events. We observe 0 and 1 events and set $90\%$ confidence level upper limits of $0.8 \times 10^{-8}$ and $1.2 \times 10^{-8}$ on the branching fractions of the decay modes $τ^{-} \rightarrow e^{-}K_{S}^{0}$ and $τ^{-} \rightarrow μ^{-}K_{S}^{0}$, respectively. These are the most stringent upper limits to date.
