Nouvelle physique dans les désintégrations rares du quark b : contraintes théoriques et conséquences phénoménologiques

New physics in rare b-decays : theoretical constraints and phenomenological consequences

• Auteur / Autrice : Martín Novoa-Brunet
• Direction : Sébastien Descotes-Genon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Asmâa Abada
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fulvia De Fazio, Danny Van Dyk, Eli Ben-Haim, Aoife Bharucha, Svjetlana Fajfer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fulvia De Fazio, Danny Van Dyk

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique quantique de la saveur

Modèle standard (physique)

Chromodynamique quantique

Désintégration semileptonique

Saveur des quarks

Théories effectives des champs

Mots clés libres

Physique des saveurs

Anomalies du quark b

Theorie effective des champs

Nouvelle Physique

Factorisation QCD

Désintégrations rares

Flavour physics

B-anomalies

Effective field theory

New Physics

QCD factorisation

Rare decays

Résumé

Ces dernières années, des écarts par rapport aux prévisions du modèle standard sont apparus dans les désintégrations semi-leptoniques des mésons b, entre lesquels, plusieurs indices de violation de l'universalité de la saveur leptonique (LFU). Ces déviations, appelées anomalies du quark b, sont apparues de manière prédominante dans deux types différents de transitions, b→cℓv et b→sℓℓ. Le traitement de ces désintégrations se fait dans le cadre des théories effectives des champs ou plus précisément, dans le cadre du hamiltonien effectif faible. Dans ce cadre, les contributions de nouvelle physique se reflètent dans les changements des coefficients de Wilson de courte distance. Dans ce manuscrit, nous analysons ces écarts des points de vue théorique et phénoménologique. Après avoir résumé les caractéristiques importantes du modèle standard, nous introduisons le cadre théorique pertinent des théories effectives des champs et les résultats expérimentaux associés à ces désintégrations semileptoniques. Nous effectuons d'abord une analyse globale de la transition b→sℓℓ où nous ajustons les coefficients de Wilson du hamiltonien effectif faible aux données expérimentales. Nous étudions la signification statistique de ces écarts, illustrant la cohérence globale des scénarios de Nouvelle Physique émergeant de cette analyse indépendante du modèle. Nous présentons ensuite plusieurs nouveaux tests de la physique à l'oeuvre pour les transitions b→sℓℓ. Tout d'abord, nous discutons de l'analyse angulaire de la transition Λb→Λ(1520)(→ pK)ℓℓ du point de vue théorique, et nous donnons des projections quant à la sensibilité attendue de l'expérience LHCb. Deuxièmement, nous discutons du potentiel d'une analyse angulaire dépendante du temps du mode B→ Ksℓℓ, qui offre des sondes intéressantes des contributions complexes de la Nouvelle Physique aux coefficients de Wilson. Nous discutons aussi des tests de Nouvelle Physique pour les transitions b→cℓv. Tout d'abord, nous mettons en évidence l'utilisation des symétries entre les observables angulaires de la désintégration B→ D*ℓv, conduisant à des relations entre ces observables qui testent les contributions tensorielles. Nous proposons ensuite un nouveau test d'universalité de la saveur leptonique à travers les désintégrations de ϒ(4S) dans les usines à B, à condition que la pollution par le charme puisse être contrôlée expérimentalement. Enfin, nous étudions les connexions potentielles des anomalies du quark b avec d'autres modes. D'une part, en utilisant des hypothèses minimales sur les symétries de saveur auxquelles la Nouvelle Physique doit obéir, nous connectons ces anomalies aux désintégrations b→svv et s→dvv avec des perspectives expérimentales prometteuses. D'autre part, nous étudions les modes non-leptonique de type pingouins Bd/s->K*⁰K*⁰ qui pourraient être reliés aux modes b→sℓℓ dans des modèles spécifiques de la nouvelle physique et nous discutons d'une éventuelle nouvelle anomalie de saveur de l'ordre de 2,6 écarts-type par rapport aux données de LHCb.

In recent years, deviations from Standard Model predictions have appeared in b-meson semileptonic decays, with several hints of violation of Lepton Flavour Universality (LFU). These deviations, usually called the b-anomalies, have appeared prominently in two different types of transitions, b→ cℓv and b→sℓℓ. The treatment of these decays is done in the context of Effective Field Theories or more precisely, in the framework of the Weak Effective Hamiltonian. In this framework, New physics contributions are reflected in changes in the short distance Wilson coefficients. In this manuscript, we analyse these deviations from the theoretical and phenomenological points of view. After summarising important features of the Standard Model, we introduce the relevant theoretical framework of effective field theories and the experimental results associated with these semileptonic decays. We first perform a global analysis of the b→sℓℓ transition where we fit the Wilson coefficients of the Weak Effective Hamiltonian to the experimental data. We study the statistical significance of these deviations, illustrating the global consistency of the pattern of New Physics emerging from this model-independent analysis. We then present several New physics benchmarks for b→sℓℓ transitions. First, we discuss the angular analysis of the Λb→Λ(1520)(→ pK)ℓℓ transition from the theoretical point of view, and we give projections for the sensitivity of the LHCb experiment. Secondly, we discuss the potential of a time-dependent angular analysis of the B→ Ksℓℓ mode, offering interesting probes of complex New Physics contributions to Wilson Coefficients. We discuss also probes of New Physics for the b→cℓv transitions. First, we highlight the use of symmetries between the angular observables of the B→ D*ℓv decay, leading to relations among these observables, which probe tensor contributions. We then propose a new test of lepton flavour universality through ϒ(4S) decays at B-factories, provided that charm pollution can be controlled experimentally. Finally, we study the potential connections of these b-anomalies with other modes. On one hand, using minimal assumptions on flavour symmetries obeyed by New Physics, we connect these anomalies to b→svv and s→dvv decays with promising experimental prospects. On the other hand, we study the non-leptonic penguin modes Bd/s→K*⁰K*⁰ which could be connected to b→sℓℓ modes in specific New Physics models, and we discuss a possible new flavour anomaly at the order of 2.6 standard deviations from the LHCb data.