Les écarts dans les désintégrations semileptoniques de b → s : une étude complète des aspects de construction de modèles, la définition de nouvelles observables, à leur mesure avec le détecteur LHCb.

The discrepancies in b → s semileptonic decays : A complete study from model-building aspects, to the definition of novel observables, to their measurement with the LHCb detector.

• Auteur / Autrice : Méril Reboud
• Direction : Diego Guadagnoli, Jean-François Marchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Théorique
• Date : Soutenance le 26/11/2020
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique Théorique (Annecy-le-Vieux)
• Jury : Président / Présidente : Geneviève Bélanger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yasmine Amhis, Svjetlana Fajfer, Gino Isidori, Danny Van Dyk, Francesco Polci
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yasmine Amhis, Svjetlana Fajfer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Leptons

Mots clés libres

Physique de la saveur

LHCb

Violation de la saveur leptonique

Anomalies du B

Désintégrations radiatives

Flavor Physics

LHCb

Lepton Flavor Violation

B anomalies

Radiative decays

Résumé

Bien que le Modèle Standard (SM) de la physique des particules permette une excellente description des observations, quelques résultats, principalement obtenus par le détecteur LHCb du CERN, montrent des signes de déviations dans les transitions du quark b aux quarks s et c. Si ces anomalies sont confirmées, elles donneront un signal clair de physique au-delà du SM car elles violent l'universalité de la saveur leptonique. Dans ce contexte, de nouvelles mesures et leurs prédictions théoriques sont cruciales pour définir de potentiels scénarios de nouvelle physique (NP). Cette thèse s'intéresse à tous ces aspects et est divisée en deux parties. La première propose des considérations théoriques sur la transition de b en s ainsi que des modèles expliquant les anomalies. La seconde partie présente une nouvelle mesure, la recherche de désintégrations de mésons Bs en deux muons et un photon à LHCb.Les désintégrations leptoniques radiatives sont particulièrement prometteuses pour tester le SM, car l'ajout du photon n'entraîne pas seulement un agrandissement du rapport de branchement (BR), mais offre aussi une sensibilité à de nouveaux opérateurs. La désintégration du Bs en deux leptons et un photon est alors étudiée en utilisant une théorie effective des champs, et de nouvelles méthodes permettant de réduire l'incertitude théorique sur son BR sont proposées. Le comportement de cette désintégration lorsque la masse du dilepton est grande donne par ailleurs la possibilité de réaliser une mesure indirecte, où le BR est mesuré comme bruit de fond de son équivalent non-radiatif. En outre, si la violation de l'universalité leptonique est confirmée, on s'attend aussi à une violation de la saveur leptonique. La mesure de cette dernière, signe indéniable de NP, est néanmoins très difficile. Les désintégrations radiatives permettent cependant de simplifier cette recherche en offrant des canaux supplémentaires.L'interprétation des anomalies en termes de modification des coefficients de la théorie effective met en avant quelques scénarios. Ceux-ci peuvent alors être interprétés en terme de modèles de NP. L'un d'eux se base sur un nouveau groupe de symétrie qui agit horizontalement entre les générations du SM. Ce modèle est fortement contraint par des observables de basse énergie, mais attribuer différentes masses aux bosons du nouveau groupe permet d'expliquer les anomalies de b en s tout en satisfaisant les contraintes expérimentales. L'absence de NP dans les observables de basse énergie peut en outre suggérer la présence de leptoquarks, pour lesquels l'interaction entre deux courants de quarks ou de leptons n'arrive qu'à une boucle. Un modèle basé sur un leptoquark vecteur explique par exemple à la fois les anomalies de b en s et en c. Il est intéressant de noter que les complétions ultraviolettes de ces différents modèles contiennent des candidats pour la Matière Noire, reliant ainsi deux problèmes prépondérants de la physique des particules.L'analyse présentée dans la seconde partie est rendue particulièrement difficile par la rareté et le caractère radiatif de la désintégration étudiée. La difficulté principale réside dans la présence d'un important bruit de fond combinatoire dû à la désintégration de mésons légers. Le prendre en compte tout en gardant une grande efficacité sur la sélection du signal nécessite d'utiliser deux analyses multivariées successives. Le signal est alors normalisé à une désintégration similaire du Bs où aucune NP est attendue. Mesurer le rapport des efficacités au lieu d'un unique BR permet une suppression partielle des incertitudes expérimentales. En revanche, cette procédure nécessite une bonne connaissance des efficacités de chaque étape de la sélection. Celles-ci sont extraites de simulation Monte-Carlo ou, quand c'est possible, directement des données. Bien qu'aucun excès significatif ne soit observé, cette analyse permet d'établir la première limite sur le BR total.

Although the Standard Model (SM) of particle physics gives an overall excellent description of the observations, a few results, mainly obtained by the LHCb detector at CERN, point towards deviations in the transitions from quark b to quarks s and c. If confirmed, these anomalies would give a clear signal of physics beyond the SM, as they violate lepton flavour universality (LFUV). In this context, new measurements and their theoretical predictions are crucial to define possible new physics scenarios. This thesis concerns both aspects and is therefore divided into two parts. The first one is devoted to theoretical considerations on the b to s transition as well as models explaining the anomalies. The second part presents a new measurement, namely the search for the decays of Bs mesons to two muons and a photon at LHCb.Radiative leptonic decays are promising to test the SM because the additional photon not only enlarges the branching ratio by lifting the chiral suppression factor, but also offers a sensitivity to other operators. Using the language of effective field theory (EFT), the decay of the Bs meson into two leptons and a photon is studied and new methods to reduce the theoretical uncertainty on its branching ratio are proposed. Besides, the behavior of this decay at large dilepton mass gives the possibility of an indirect measurement where the total branching ratio is measured as a background of the corresponding non-radiative channel. Furthermore, if LFUV is experimentally confirmed, one also expects violation of lepton flavour. Measuring such violation, which would be an undeniable sign of new physics, is yet very challenging. Radiative decays can however support this search by offering additional channels with potentially larger branching ratios.The interpretation of the B anomalies in term of shifts in the EFT coefficients put a few scenarios forward. These scenarios can then be interpreted in term of new physics models. One such model is based on the consideration of an additional symmetry group acting horizontally between the SM generations. This model is severely constrained by low energy observables, such as meson mixings and leptonic decays, but allowing for a mass degeneracy between the new group's bosons explains all b to s anomalies while passing other experimental constraints. The absence of new physics in low energy observables can also be interpreted as the presence of leptoquarks, for which the interaction between two quark- or two lepton-currents only arises at the one loop level. A model based on a vector leptoquark can for example give an explanation to both b to s and b to c anomalies. Interestingly, ultraviolet completions of these models contain natural Dark Matter candidates, hence relating two outstanding problems of particle physics.The analysis presented in the second part is particularly challenging because the probed decay is both very rare and radiative. The main difficulty lies in the presence of a large combinatorial background due to light meson decays. Tackling it while keeping a high efficiency on the signal selection requires the use of two successive multivariate analyses. The signal is then normalised to a similar decay of the Bs where no new physics is expected. Measuring a ratio of yields instead of an unique branching ratio allows for a partial cancellation of experimental uncertainties. On the other hand, this procedure requires a good knowledge of each selection step efficiencies for the two channels. These efficiencies are extracted from Monte-Carlo simulations or, when possible, directly from the data. Although no significant excess is found, this analysis allows the first limit on the total branching ratio to be set.