Recherche des désintégrations B+ → K+ τ (e, μ) violant la saveur leptonique auprès des détecteurs Belle et Belle II

Search for the Lepton Flavor Violating B+ → K+ τ (e, μ) decays with the Belle and Belle II detectors

• Auteur / Autrice : Gaetano De Marino
• Direction : Karim Trabelsi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• 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 : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Descotes-Genon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Monteil, Tim Gershon, Diego Tonelli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Monteil, Tim Gershon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique au-delà du modèle standard

Physique des hautes énergies

Analyse des données

Mots clés libres

Physique du méson B

Violation Saveur Leptonique

Nouvelle physique

Belle

Belle II

B physics

Lepton Flavor Violation

New Physics

Belle

Belle II

Résumé

De nombreuses déviations par rapport au modèle standard ont été observées dans les désintégrations semileptoniques des mésons B, comme par exemple la violation de l'universalité de la saveur leptonique dans les transitions b → sll et b → c τ ν. Beaucoup de modèles de Nouvelle Physique (NP) prédisent également une violation de la saveur leptonique (LFV). Dans ce contexte, nous recherchons les quatre modes de désintégration B± → K± τ± l∓ (l={e,μ}) avec l'échantillon de données collectées par l'expérience Belle. Cette analyse n'a jamais été effectuée à Belle ni à Belle II, alors que des limites supérieures sur les taux d'embranchement de ces modes ont déjà été obtenues par les expériences BaBar et LHCb. Pour les modes à énergie manquante -- comme c'est le cas dans nos canaux -- l'étiquetage du B est couramment exploité dans les usines à B pour réduire le bruit de fond. Nous utilisons la reconstruction des mésons B hadroniques fournie par l'algorithme FEI, le package officiel d'étiquetage de Belle II.La reconstruction d'un méson B nous permet de déduire les propriétés de l'autre B dans l'événement et donc de calculer le Mrecoil, utilisé pour extraire le signal.En absence de signal, nous obtenons les limites sur les rapports d'embranchement des modes B± → K± τ l, avec l'ensemble des données de Belle, de l'ordre de quelques 10-5, qui sont les plus contraignantes à ce jour.Améliorer l'étiquetage hadronique du B est un élément clé pour augmenter la sensibilité expérimentale des futures analyses de ces modes. La correction de la description des désintégrations de B+ dans la simulation Monte Carlo (MC) pourrait le permettre. En effet, FEI utilise des techniques de machine learning pour séparer efficacement le signal du bruit de fond. Toutefois, ces méthodes étant entraînées sur le MC, elles peuvent, en cas d'erreur, conduire à des performances FEI non optimales, engendrant une différence importante d'efficacité entre les données et le MC.Nous révisons la simulation MC en nous concentrant sur les modes les plus pertinents pour l'étiquetage des mésons B+ et réduisons de manière significative l'écart observé. Les autres directions sont l'ajout de nouveaux modes de désintégration et la récupération des candidats partiellement reconstruits.Cette thèse explore aussi la possibilité d'utiliser une approche d'étiquetage semileptonique. Dans ce contexte, l'impulsion du méson B ne peut plus être mesurée, augmentant approximativement la résolution sur Mrecoil d'un facteur 5. Cependant, l'approche d'étiquetage semileptonique offre une grande efficacité de reconstruction en raison des larges rapports d'embranchement des désintégrations B → D(*) l ν, nous étudions comment les différentes conditions en termes de résolution et de composition du fond ont un impact sur la sensibilité finale.Des contraintes supplémentaires peuvent être imposées en se basant, par exemple, sur la connaissance de la cinématique de l'événement.L'utilisation de cette information seule améliore déjà la résolution de Mrecoil, en particulier pour les désintégrations hadroniques du τ. Nous essayons également d'exploiter l'information du vertexing et explorons différents scénarios de résolution avec le détecteur Belle II et l'accélérateur SuperKEKB. Dès lors, l'étiquetage semileptonique devient compétitif par rapport à l'étiquetage hadronique. Ce résultat est encourageant car il permet l'exploitation d'un échantillon de données indépendant et ouvre d'autres perspectives pour les futurs échantillons collectés, sachant que Belle II a deja accumulé 0.6 fois les données de Belle. En supposant que les anomalies ne soient pas bientôt réfutées, un échantillon de données plus important combiné à une stratégie optimisée d'étiquetage du B, pourrait conduire à l'observation de LFV ou à contraindre fortement les modèles de NP qui leur sont associés.

For over a decade, many deviations from the Standard Model have been observed in semileptonic B-meson decays, for example, the departure from the lepton flavor universality in b → sll and b → c τ ν transitions. Many New Physics (NP) models trying to explain these results also predict a violation of the leptonic flavor (LFV). In this context, we are searching for the four B± → K± τ± l∓ (l={e,μ}) decay modes with the data sample collected by the Belle experiment. This analysis has never been performed at Belle nor Belle II, while some upper limits on the rates of such modes were previously set by the BaBar and LHCb experiments. For modes with missing energy -- as it is for our channels -- B-tagging is commonly exploited at B-factories to reduce the background. We use the hadronic B-meson reconstruction provided by the FEI algorithm, the official exclusive tagging package at Belle II.The reconstruction of one B-meson allows us to infer the properties of the other one and hence compute the Mrecoil, which is the observable used to extract the signal yield.In the absence of signal, we derive the upper limits on the branching ratios of B± → K± τ l modes, obtained with hadronic FEI and the full Belle dataset. The limits are of the order of a few 10-5 and are the most stringent to date.A key point to improve the experimental sensitivity with the available and future Belle II data is to boost the B-tagging performance and obtain higher efficiency. The first step in this direction consists in improving the description of B+ decays in the Belle Monte Carlo (MC) simulation. In fact, FEI uses machine-learning techniques to efficiently separate the signal from backgrounds. However, such methods are trained on MC, which, if incorrect, can lead to non-optimal FEI performance. One of the consequences is the large discrepancy between data and MC for the FEI tagging efficiency.We revise the MC simulation by focusing on the most relevant modes and significantly reduce the seen discrepancy. Other directions towards a higher efficiency are proposed in this manuscript; they include adding some new decay modes to FEI and recovering only partially reconstructed candidates.This thesis explores the possibility of using a semileptonic tag approach for the B± → K± τ l search. As opposed to the hadronic tag, the momentum of the B-meson cannot be measured; hence, the resolution on the Mrecoil is roughly a factor 5 worse. However, the semileptonic tag approach provides a high reconstruction efficiency because of the large branching ratios of B → D(*) l ν decays; we study how the different conditions in terms of resolution and background composition impact the final sensitivity.Additional constraints can be imposed based on the knowledge of the event kinematics. The usage of this information-only already improves the resolution of Mrecoil, especially for hadronic τ decays. We also try to exploit the vertexing information and study different resolution scenarios with the upgraded detector Belle II and accelerator SuperKEKB. Including those improvements, the semileptonic tag approach is competitive with fully reconstructed hadronic tags. This result is encouraging because it allows to exploit an independent data sample and opens other exciting prospects given the larger Belle II final dataset. The Belle II experiment has already accumulated a sample that is more than half that of Belle. Assuming that the anomalies are not disproved within a few years, the larger dataset combined with an optimized B-tagging strategy might lead to observing the LFV decays or strongly constraining the NP models associated with them.