Exploration des possibles connexions entre les écarts dans la désintégration des mésons B et d'autres signes de nouvelle physique

Exploring the connections between B-meson decay discrepancies and other hints of New Physics

• Auteur / Autrice : Alexandre Carvunis
• Direction : Diego Guadagnoli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Théorique
• Date : Soutenance le 19/09/2022
• 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 : David Marzocca, Ana M. Teixeira, Lucia Di Ciaccio
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Wolfgang Altmannshofer, Nazila Mahmoudi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière noire (astronomie)

Mésons

Mots clés libres

Physique au-Delà du Modèle Standard

Mésons B

Théories effectives

Matière noire

Dynamique de modèle composite

Physics beyond the Standard Model

B mesons

Effective theories

Dark Matter

Composite Dynamics

Résumé

Le Large Hadron Collider fournit une méthode rigoureuse et contrôlée pour sonder les interactions de la matière aux plus petites échelles possibles, dont notre compréhension est résumée dans le Modèle Standard. Le modèle standard fournit des prédictions remarquablement précises sur la dynamique des particules fondamentales, mais il est incomplet. On le sait grâce à ce qui n’est pas inclus dans le modèle mais qui est observé - par exemple, la gravitation, les masses des neutrinos, la matière noire - et grâce aux lacunes du modèle lui-même - par exemple, le problème de la naturalité ou le problème du CP fort. La difficulté de trouver ce qui existe au-delà du modèle standard réside dans le manque de preuves expérimentales de déviations par rapport à ce que le modèle peut prédire. Nous avons besoin d’une ''graine'', d’un point de départ, à cet égard.Dans ce contexte, il est intéressant de noter que certaines données sur les désintégrations des mésons B montrent un schéma cohérent de déviations par rapport au SM. En même temps, nous savons que 85% de la matière de l’Univers n’est pas expliquée par le SM. En outre, le moment dipolaire magnétique anormal (MDA) du muon est en contradiction avec le SM au niveau de signification de 4.2σ, ce qui laisse supposer l’existence de NP dans le secteur du muon.Il est intéressant de noter que cette série d’indices de nouvelle physique (NP) a des liens phénoménologiques naturels. D’une part, la taille des anomalies dans le secteur B indique que la NP existe à l’échelle O(1 − 10TeV), qui recoupe la masse des candidats à la matière noire dans le paradigme des Weakly Interactive Massive Particles (WIMPs). D’autre part, les anomalies B dans les courants b → s, semblent indiquer une violation de l’universalité de la saveur des leptons due à de la NP interagissant avec le secteur muonique. Une explication naturelle de cet effet est l’existence de leptoquarks à l’échelle du TeV. Par coïncidence, la déviation mesurée dans le moment magnétique anomal du muon peut également être générée par de tels leptoquarks.Il est tentant et, dans une certaine mesure, ''nécessaire'' d’essayer de ''relier les points'', c’est-à-dire de construire des scénarios de nouvelle physique qui expliquent plusieurs de ces déviations à la fois. La tâche est double. Premièrement, nous devons évaluer la taille de ces écarts aussi bien que possible à partir des données. À cette fin, nous étudions le pouvoir d’une nouvelle observable comme sonde de la NP dans la désintégration d’un méson B en deux muons et un photon. Avant de construire des modèles, nous devons également déterminer précisément l’implication de toutes les données expérimentales disponibles sur la théorie dans le cadre des théories effectives des champs. En utilisant et en développant des outils numériques, nous effectuons des ajustements globaux des couplages NP dans la théorie effective faible (WET) et l’EFT du modèle standard (SMEFT) sur les données. En particulier, nous étudions le cas de l’asymétrie avant-arrière dans le processus B → D∗ℓν mesuré à Belle [1,2] qui pourrait être le premier indice de LFUV dans les désintégration de type b → cμν. Cette approche agnostique peut ensuite être interprétée en termes de modèles UV. Nous étudions différentes directions de construction de modèles, à savoir : des leptoquarks scalaires pour s’adapter aux anomaliesb → c, et un modèle de matière noire composite dans une symétrie gaugée horizontale SU(2), capable de s’adapter aux anomalies b → s.

The Large Hadron Collider, as the latest and largest example of particle colliders, provides a rigorous and controlled method to probe the interactions of matter at the smallest attainable scales, of which our understanding is summed up in the Standard Model. The Standard Model provides remarkably accurate predictions for the dynamics of fundamental particles, yet, it is incomplete. This is known from what is not included in the model but observed – e.g. gravitation, neutrino masses, Dark Matter – and from shortcomings of the model itself – e.g. the naturalness problem or the strong CP problem. The difficulty in finding what exists beyond the Standard model resides in the lack of experimental evidence of deviations from what the model can predict. We need a ‘seed’, a starting point, in this respect. In this context, it is interesting to note that some data on B-meson decays do show a coherent pattern of deviations with respect to the SM. At the same time, we know that 85% of the matter in the Universe is not explained by the SM. Additionally, the anomalous magnetic dipole moment (AMM) of the muon is found to be in tension with SM at the 4.2σ level of significance, hinting at NP in the muon sector.Interestingly, this collection of hints of New Physics has natural phenomenological connections.On the one hand, the size of the anomalies in the B sector hint at NP existing at the scale O(1 − 10TeV) which overlaps with the mass of Dark Matter candidates in the Weakly Interactive Massive Particle (WIMP) paradigm. On the other hand, the B-anomalies in b → s currents, seem to indicate Lepton Flavour Universality Violation (LFUV) with NP interacting with the muonic sector. One natural explanation for this effect is the existence of leptoquarks at the TeV scale. Coincidentally the deviation in the AMM of the muon can also be generated by such leptoquarks.It is tantalising and, to some extent, a ‘necessary’ exercise, to try and ‘connect the dots’, i.e build New Physics scenarios that explain more than one of these deviations at once. The task is two-fold. First, we need to assess the size of these deviations as well as possible from data. To this end, we investigate the power of a new observable as a probe of NP in the decay of a B meson to two muons and a photon. Before building models, we also need to determine precisely the implication of all available experimental data on the theory in the framework of effective field theories. Using and developing numerical tools, we perform global fits of NP couplings in the weak effective theory (WET) on data. In particular, we study the case of theforward-backward asymmetry in B → D∗ℓν measured at Belle [1, 2] which could be the first hint of LFUV in b → cμν processes. This agnostic approach can then be interpreted in terms of UV models. We study different model building directions, namely: scalar leptoquarks to fit b → c anomalies, and a model of composite Dark Matter in a SU(2) horizontal gauged symmetry, capable of fitting b → s anomalies.