Prospects for $$B_c^+$$ and $$B^+\rightarrow \tau ^+ \nu _\tau $$ at FCC-ee

Abstract The prospects are presented for precise measurements of the branching ratios of the purely leptonic $$B_c^+ \rightarrow \tau ^+ \nu _\tau $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mi>c</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msubsup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> and $$B^+ \rightarrow \tau ^+ \nu _\tau $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> decays at the Future Circular Collider (FCC). This work is focused on the hadronic $$\tau ^{+} \rightarrow \pi ^+ \pi ^+ \pi ^- {\bar{\nu }}_\tau $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>π</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>π</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mi>π</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mover> <mml:mrow> <mml:mi>ν</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> <mml:mi>τ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> decay in both $$B_c^+ \rightarrow \tau ^+ \nu _\tau $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mi>c</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msubsup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> and $$B^+ \rightarrow \tau ^+ \nu _\tau $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> processes. Events are selected with two Boosted Decision Tree algorithms to optimise the separation between the two signal processes as well as the generic hadronic Z decay backgrounds. The range of the expected precision for both signals are evaluated in different scenarios of non-ideal background modelling. This paper demonstrates, for the first time, that the $$B^+ \rightarrow \tau ^+ \nu _\tau $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> decay can be well separated from both $$B_c^+ \rightarrow \tau ^+ \nu _\tau $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mi>c</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msubsup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> and generic $$Z\rightarrow b{\bar{b}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>Z</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>b</mml:mi> <mml:mover> <mml:mrow> <mml:mi>b</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> </mml:math> processes in the FCC-ee collision environment and proposes the corresponding branching ratio measurement as a novel way to determine the CKM matrix element $$|V_{ub}|$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>V</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>ub</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> . The theoretical impacts of both $$B^+ \rightarrow \tau ^+ \nu _\tau $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> and $$B_c^+ \rightarrow \tau ^+ \nu _\tau $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msubsup> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mi>c</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msubsup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>τ</mml:mi> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> measurements on New Physics cases ar