Analyse de la désintégration B⁺ → K⁺π⁺π⁻γ avec les premières données Belle II

Analysis of the B⁺ → K⁺π⁺π⁻γ decay with early Belle II data

• Auteur / Autrice : Borys Knysh
• Direction : François Le Diberder
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 07/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• 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
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Hélène Schune
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eli Ben-Haim, Arantza de Oyanguren Campos, Elisa Manoni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eli Ben-Haim, Arantza de Oyanguren Campos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Hadrons -- Désintégration

Modèle standard (physique)

Mots clés libres

Modèle standard et au-delà

Désintégration faible radiative des mésons B

Analyse des données

Standard Model and beyond

Weak radiative decays of B mesons

Data analysis

Résumé

Le document présente l’analyse de la désintégration du méson B⁺ dans l’état final K⁺π⁺π⁻γ en utilisant les données initiales de l’expérience Belle II. Le détecteur Belle II est situé auprès du collisionneur SuperKEKB dans le laboratoire KEK, au Japon. Le but de cette thèse est d’ouvrir la voie à la mesure de la polarisation du photon gamma présent dans l’état final. Le modèle standard de la physique des particules prédit que le photon est pratiquement complètement polarisé droit. Une mesure de la polarisation en désaccord avec cette prédiction signalerait directement l’intervention d’une physique au-delà du modèle standard. L’analyse repose sur le logiciel de simulation Monte-Carlo Gampola qui a été développé par l’auteur pour incorporer l’état de l’art de la compréhension théorique des désintégrations des mésons B neutres et chargés dans les divers états finals K π π γ. Les données utilisées correspondent à une luminosité de 62.7 fb⁻¹ qui a été accumulée par l’expérience Belle II jusqu’au printemps 2021. Cette luminosité étant environ 50 fois plus faible que celle nécessaire pour aborder la mesure de la polarisation du photon, d’une part, et d’autre part, le détecteur Belle II n’étant pas encore complètement maitrisé à ce stade préliminaire, cette analyse initiale est focalisée sur la mise au point d’une procédure de sélection robuste des événements K⁺π⁺π⁻γ. Cette sélection pourra être utilisée plus tard comme point de départ pour conduire à la mesure de la polarisation du photon. Une efficacité de sélection de 25% est obtenue tout en maintenant les événements de bruit de fond à un niveau suffisamment bas pour permettre une mesure du rapport d’embranchement avec une précision statistique de 10%. Une approche plus raffinée, basée sur une segmentation de l’espace de phase qui réduit fortement la dépendance dans le modèle théorique utilisé, conduit à estimer qu’une précision statistique de 3% sera atteinte pour 1 ab⁻¹. Comme étape préliminaire en vue de la mesure de la polarisation, il est montré que l’asymétrie Aud sera possible avec une précision du pourcent pour 1 ab⁻¹. L’analyse des données est encore en mode aveugle à ce stade, mais les données de contrôles ont pu être dévoilées et conduisent à des résultats prometteurs.

The document presents the analysis of the decay of the B⁺ meson into the K⁺π⁺π⁻γ final state using the early data of the Belle II experiment, that is located at the SuperKEKB collider in the KEK laboratory, Japan. The aim of the present work is to pave the way leading to the measurement of the polarization of the photon γ involved in the decay. The Standard Model of particle physics predicts the photon polarization to be overwhelmingly right-handed. A measurement of the polarization away from this prediction would provide a direct indication of Physics beyond the Standard Model. The analysis relies on a detailed Monte-Carlo generator named Gampola that was developed by the author for this purpose to include state of the art theoretical understanding of the charged and neutral B decays into the various possible K π π γ final states. The data sample used in the analysis corresponds to a luminosity of 62.7 fb⁻¹ that was accumulated by the Belle II experiment until spring 2021. This luminosity being about 50 times smaller than what is needed to perform the measurement of the photon polarization, and the Belle II detector being not yet fully understood in this early stage, the aim of the initial analysis is focused on defining a robust procedure to select the K⁺π⁺π⁻γ events. This selection procedure can be used later as a starting point to perform the photon polarization measurement. An overall selection efficiency of 25% is achieved while maintaining the contribution of background events to a low enough level allowing a 10% statistical precision on the branching ratio measurement. A refined model-independent approach based on phase-space binning leads to a 3% precision for 1 ab⁻¹. As a preliminary step towards the photon polarization, the measurement of the up-down asymmetry Aud is assessed to reach the percent level, for 1 ab⁻¹. While the analysis is still blind at the present stage, the unblinding of the control samples has been performed and lead to promising results.