Recherche de la désintégration B+ → K+ν ̄ν au sein de l’expérience Belle II

Search for the B+ → K+ν ̄ν decay in the Belle II experiment

• Auteur / Autrice : Lucas Martel
• Direction : Isabelle Ripp-Baudot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/09/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Strasbourg ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Catherine Le Bihan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisa Manoni, Giulio Dujany
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Tisserand, Diego Guadagnoli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (physique)

Collisions (physique nucléaire)

Désintégration radiative

Mots clés libres

Belle II

SuperKEKB

Knunu

SVD

FEI

Physique des particules

Méson B

FCNC

Nouvelle Physique

Modèle Standard

Belle II

SuperKEKB

Knunu

SVD

FEI

Particle physics

B meson

FCNC

New Physics

Standard Model

Résumé

Cette thèse décrit la première recherche de la désintégration d’un méson B en un kaon chargé et une paire de neutrinos en utilisant une méthode de reconstruction hadronique du B compagnon au sein de l’expérience Belle II, auprès du collisionneur électron-positon asymétrique SuperKEKB situé à KEK, Tsukuba au Japon. La désintégration B+ → K+ν ̄ν opère, au niveau des quarks, à travers une transition de courant neutre à changement de saveur b → sν ̄ν. Cette désintégration n’a jamais été observée en raison du défi expérimental posé par la paire de neutrinos non détectée dans son état final. Cependant son rapport d’embranchement est prédit avec précision dans le modèle standard de la physique des particules, la mesure de ce rapport d’embranchement offre donc une opportunité unique de sonder les limites du Modèle Standard. L’analyse décrite ici tire partie de l’algorithme de Full Event Interpretation (FEI), développé par la collaboration Belle II pour reconstruire séquentiellement la désintégration la plus probable du méson Btag accompagnant le méson signal Bsig dans les évènements de type Υ (4S) → BsigBtag. L’analyse exploite un échantillon de données correspondant à une luminosité de 362fb−1 collectée à l’énergie de la résonance Υ (4S), complétée par un échantillon de 42fb−1 collecté 60 MeV en dessous de ladite résonance. Compte tenu de cet ensemble de données, la limite supérieure attendue du rapport d’embranchement de B+ → K+ν ̄ν est déterminé comme étant 2.3 × 10−5 à un niveau de confiance de 90 %, en utilisant des échantillons d’évènements simulés ainsi que des données collectées pour des canaux de contrôle spécifiques. Cette mesure attendue est compétitive avec les mesures précédentes effectuées par les expériences BaBar Belle avec des ensembles de données de 421 fb−1 et 711 fb−1 respectivement. Par ailleurs, le développement d’une méthode algorithmique pour améliorer la résolution spatiale du détecteur de vertex à pistes de silicium (SVD) de Belle II est présentée. Cette méthode corrige les effets de partage de charge entre les pistes de silicium dans le détecteur, permettant d’améliorer la résolution spatiale des modules de détection de 5 à 15 %.

This thesis describes the first search for the decay of a charged B-meson into a charged kaon and a pair of neutrinos using a hadronic tagging method at the Belle II experiment, operating at the asymmetric electron-positron collider SuperKEKB located at KEK, Tsukuba, Japan. The B+ → K+ν ̄ν decay operates,at the quark level, through a b → sν ̄ν flavour changing neutral-current transition.This decay has never been observed due to the experimental challenge posed by the undetected pair of neutrinos in its final state. However its branching fraction is predicted with accuracy in the Standard Model of particle physics, thus, a precise measurement of this branching fraction offers a unique opportunity to probe beyond Standard Model contributions.The analysis described there in makes use of the Full Event Interpretation algorithm (FEI), developed by the Belle II collaboration to sequentially reconstruct the most probable decay of the Btag meson accompanying the signal meson Bsig in Υ (4S) →BsigBtag events. The analysis exploits a data sample corresponding to an integrated luminosity of 362 fb−1 collected at the Υ (4S) resonance mass, completed by a sample of 42 fb−1 collected 60 MeV below said resonance.Given this dataset, the expected upper limit on the branching fraction of B+ → K+ν ̄ν is determined to be 2.3×10−5 at 90% confidence level, using simulated events and data collected in specific control channels. This measurement is expected to be competitive with previous measurements performed by the BaBar and Belle experiments with on-resonance datasets of 421 fb−1 and 711 fb−1 respectively. Furthermore, the development of an algorithmic method to improve the Belle II Silicon Vertex Detector (SVD) resolution on position is presented. This method corrects charge sharing effects between silicon strips in the detector, allowing to improve the spatial resolution for specific sensors by 5 to 15%.