Search for Lepton-Flavor-Violating τ Decays to a Lepton and an Invisible Boson at Belle II

Adachi, I.; Adamczyk, K.; Aggarwal, L.; Ahmed, H.; Aihara, H.; Akopov, N.; Aloisio, A.; Anh Ky, N.; Asner, D.  M.; Aushev, T.; Aushev, V.; Bae, H.; Bahinipati, S.; Bambade, P.; Banerjee, Sw.; Baudot, J.; Bauer, M.; Baur, A.; Beaubien, A.; Becker, J.; Behera, P.  K.; Bennett, J.  V.; Bernieri, E.; Bernlochner, F.  U.; Bertacchi, V.; Bertemes, M.; Bertholet, E.; Bessner, M.; Bettarini, S.; Bhuyan, B.; Bianchi, F.; Bilka, T.; Bilokin, S.; Biswas, D.; Bodrov, D.; Bolz, A.; Borah, J.; Bozek, A.; Bračko, M.; Branchini, P.; Browder, T.  E.; Budano, A.; Bussino, S.; Campajola, M.; Cao, L.; Casarosa, G.; Cecchi, C.; Chang, M. -C.; Chang, P.; Cheaib, R.; Cheema, P.; Chekelian, V.; Chen, Y.  Q.; Cheon, B.  G.; Chilikin, K.; Chirapatpimol, K.; Cho, H. -E.; Cho, K.; Cho, S. -J.; Choi, S. -K.; Choudhury, S.; Cinabro, D.; Corona, L.; Cunliffe, S.; Das, S.; Dattola, F.; De La Cruz-Burelo, E.; De La Motte, S.  A.; De Nardo, G.; De Nuccio, M.; De Pietro, G.; de Sangro, R.; Destefanis, M.; Dey, S.; De Yta-Hernandez, A.; Dhamija, R.; Di Canto, A.; Di Capua, F.; Dingfelder, J.; Doležal, Z.; Domínguez Jiménez, I.; Dong, T.  V.; Dorigo, M.; Dort, K.; Dossett, D.; Dreyer, S.; Dubey, S.; Dujany, G.; Ecker, P.; Eliachevitch, M.; Epifanov, D.; Feichtinger, P.; Ferber, T.; Ferlewicz, D.; Fillinger, T.; Finck, C.; Finocchiaro, G.; Flood, K.; Fodor, A.; Forti, F.; Fulsom, B.  G.; Gabrielli, A.; Ganiev, E.; Garcia-Hernandez, M.; Gaur, V.; Gaz, A.; Gellrich, A.; Ghevondyan, G.; Giordano, R.; Giri, A.; Glazov, A.; Gobbo, B.; Godang, R.; Goldenzweig, P.; Gradl, W.; Granderath, S.; Graziani, E.; Greenwald, D.; Gruberová, Z.; Gu, T.; Gudkova, K.; Guilliams, J.; Hara, T.; Hayasaka, K.; Hayashii, H.; Hazra, S.; Hearty, C.; Heredia de la Cruz, I.; Hernández Villanueva, M.; Hershenhorn, A.; Higuchi, T.; Hill, E.  C.; Hohmann, M.; Hsu, C. -L.; Humair, T.; Iijima, T.; Inami, K.; Inguglia, G.; Ipsita, N.; Ishikawa, A.; Ito, S.; Itoh, R.; Iwasaki, M.; Jackson, P.; Jacobs, W.  W.; Jaffe, D.  E.; Jang, E. -J.; Q.  P., Ji; Jia, S.; Jin, Y.; Joo, K.  K.; Junkerkalefeld, H.; Kakuno, H.; Kaliyar, A.  B.; Kandra, J.; Kang, K.  H.; Kang, S.; Karl, R.; Karyan, G.; Kiesling, C.; Kim, C. -H.; Kim, D.  Y.; Kim, K. -H.; Kim, Y. -K.; Kindo, H.; Kinoshita, K.; Kodyš, P.; Koga, T.; Kohani, S.; Kojima, K.; Konno, T.; Korobov, A.; Korpar, S.; Kovalenko, E.; Kowalewski, R.; Kraetzschmar, T.  M.  G.; Križan, P.; Krokovny, P.; Kuhr, T.; Kumar, J.; Kumar, R.; Kumara, K.; Kunigo, T.; Kuzmin, A.; Kwon, Y. -J.; Lacaprara, S.; Lam, T.; Lanceri, L.; Lange, J.  S.; Laurenza, M.; Lautenbach, K.; Leboucher, R.; Le Diberder, F.  R.; Leitl, P.; Lewis, P.  M.; Li, C.; L.  K., Li; Y.  B., Li; Libby, J.; Lieret, K.; Liptak, Z.; Liu, Q.  Y.; Liventsev, D.; Longo, S.; Lozar, A.; Lueck, T.; Luo, T.; Lyu, C.; Maggiora, M.; Maiti, R.; Maity, S.; Manfredi, R.; Manoni, E.; Manthei, A.; Marcello, S.; Marinas, C.; Martel, L.; Martini, A.; Martinov, T.; Massaccesi, L.; Masuda, M.; Matsuda, T.; Matsuoka, K.; Matvienko, D.; Maurya, S.  K.; Mckenna, J.  A.; Meier, F.; Merola, M.; Metzner, F.; Milesi, M.; Miller, C.; Miyabayashi, K.; Mizuk, R.; Mohanty, G.  B.; Molina-Gonzalez, N.; Moneta, S.; Moser, H. -G.; Mrvar, M.; Mussa, R.; Nakamura, I.; Nakamura, K.  R.; Nakao, M.; Nakayama, H.; Nakazawa, Y.; Narimani Charan, A.; Naruki, M.; Natochii, A.; Nayak, L.; Nayak, M.; Nazaryan, G.; Niebuhr, C.; Nisar, N.  K.; Nishida, S.; Ogawa, S.; Ono, H.; Onuki, Y.; Oskin, P.; Pakhlov, P.; Pakhlova, G.; Paladino, A.; Panta, A.; Paoloni, E.; Pardi, S.; Parham, K.; Park, H.; Park, S. -H.; Paschen, B.; Passeri, A.; Patra, S.; Paul, S.; Pedlar, T.  K.; Peruzzi, I.; Peschke, R.; Pestotnik, R.; Pham, F.; Piccolo, M.; Piilonen, L.  E.; Pinna Angioni, G.; Podesta-Lerma, P.  L.  M.; Podobnik, T.; Pokharel, S.; Polat, L.; Praz, C.; Prell, S.; Prencipe, E.; Prim, M.  T.; Purwar, H.; Rad, N.; Rados, P.; Raeuber, G.; Raiz, S.; Ramirez Morales, A.; Reif, M.; Reiter, S.; Remnev, M.; Ripp-Baudot, I.; Rizzo, G.; Robertson, S.  H.; Rodríguez Pérez, D.; Roney, J.  M.; Rostomyan, A.; Rout, N.; Russo, G.; Sanders, D.  A.; Sandilya, S.; Sangal, A.; Santelj, L.; Sato, Y.; Savinov, V.; Scavino, B.; Schueler, J.; Schwanda, C.; Seino, Y.; Selce, A.; Senyo, K.; Serrano, J.; Sevior, M.  E.; Sfienti, C.; Shen, C.  P.; Shi, X.  D.; Shillington, T.; Shiu, J. -G.; Shwartz, B.; Sibidanov, A.; Simon, F.; Singh, J.  B.; Skorupa, J.; Sobie, R.  J.; Soffer, A.; Sokolov, A.; Solovieva, E.; Spataro, S.; Spruck, B.; Starič, M.; Stefkova, S.; Stottler, Z.  S.; Stroili, R.; Strube, J.; Sue, Y.; Sumihama, M.; Sumisawa, K.; Sutcliffe, W.; Suzuki, S.  Y.; Svidras, H.; Takizawa, M.; Tamponi, U.; Tanida, K.; Tanigawa, H.; Tenchini, F.; Thaller, A.; Tiwary, R.; Tonelli, D.; Torassa, E.; Toutounji, N.; Trabelsi, K.; Uchida, M.; Ueda, I.; Uematsu, Y.; Uglov, T.; Unger, K.; Unno, Y.; Uno, K.; Uno, S.; Ushiroda, Y.; Vahsen, S.  E.; van Tonder, R.; Varner, G.  S.; Varvell, K.  E.; Vinokurova, A.; Vitale, L.; Vobbilisetti, V.; Wakeling, H.  M.; Wang, E.; Wang, M. -Z.; Wang, X.  L.; Warburton, A.; Watanabe, M.; Watanuki, S.; Welsch, M.; Wessel, C.; Wiechczynski, J.; X.  P., Xu; Yabsley, B.  D.; Yamada, S.; Yan, W.; Yang, S.  B.; Ye, H.; Yelton, J.; Yin, J.  H.; Yook, Y.  M.; Yoshihara, K.; Yuan, C.  Z.; Yusa, Y.; Zani, L.; Zhang, Y.; Zhilich, V.; Zhou, Q.  D.; Zhou, X.  Y.; Zhukova, V.  I.; Žlebčík, R.

doi:10.1103/PhysRevLett.130.181803

We search for lepton-flavor-violating τ− → e−α and τ− → μ−α decays, where α 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 SuperKEKB collider and collected with the Belle II detector. We search for an excess in the lepton-energy spectrum of the known τ− → e− ¯νeντ and τ− → μ− ¯νμντ decays. We report 95% confidence-level upper limits on the branching-fraction ratio Bðτ− → e−αÞ=Bðτ− → e− ¯νeντÞ in the range ð1.1–9.7Þ × 10−3 and on Bðτ− → μ−αÞ=Bðτ− → μ− ¯νμντÞ in the range ð0.7–12.2Þ × 10−3 for α masses between 0 and 1.6 GeV=c2. These results provide the most stringent bounds on invisible boson production from τ decays.