Etude de la désintégration Dₛ⁺ → ƞ'π⁺π⁻π⁺ dans l'expérience BESIII et mesure précise du rapport de branchement de la désintégration semitauonique B° → D*⁻τ⁺ν dans l'expérience LHCb

Study of the Dₛ⁺ → ƞ'π⁺π⁻π⁺ decays at BESIII and precise measurement of the branching fraction of the B° → D*⁻τ⁺ν decay at LHCb

• Auteur / Autrice : Bo Fang
• Direction : Guy Wormser, Liang Sun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 26/01/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Université de Wuhan (Chine)
• 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-....) - Wuhan University. School of Physics and Technology
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Hang Yin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marcello Rotondo, Dean J. Robinson, Karim Trabelsi, Liming Zhang, Zhiquan Chen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marcello Rotondo, Dean J. Robinson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théories de grande unification

Désintégration semileptonique

Grand collisionneur de hadrons

Quarks lourds

Physique des hautes énergies

Particules (physique)

Mots clés libres

Physique des particules

Physique des saveurs

Mesures de précision

Particle physics

Flavour physics

Precise measurement

Résumé

Le modèle standard de la physique des particules requiert l'universalité de la saveur des leptons, une propriété selon laquelle les constantes de couplage faibles ont les mêmes valeurs pour trois générations de leptons chargés. Au cours des dernières décennies, une anomalie de longue durée dans la mesure de R(D*), le rapport entre B(B⁰ → D*⁻τ⁺ν) et B(B⁰ → D*⁻ℓ⁺ν) (ℓ = e, μ), indique une potentielle violation de l'universalité de la saveur des leptons, dont la confirmation prouvera l'existence d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard. La mesure de précision de R(D*) fournit une sonde importante pour le nouvel effet physique possible lié au LFUV. Parmi toutes les mesures expérimentales réalisées jusqu’à présent, l’analyse hadronique R(D*) à LHCb, où le lepton τ est reconstruit à partir de trois pions chargés, est la mesure la plus précise jusqu’à présent. Cependant, la physique la plus importante contexte dans cette analyse, ce processus, domine le incertitudes systématiques avec des statistiques dix fois supérieures aux désintégrations du signal lors de l'ajustement final. Ainsi, les études sur les désintégrations de Ds⁺ en trois pions chargés fourniront des informations précieuses. Pour séparer le fond, réduisant ainsi les incertitudes systématiques, non seulement dans l’analyse hadronique R(D*) mais dans d’autres mesures analogues. Cette thèse débute par une étude collective de la phénoménologie des désintégrations du méson Ds⁺, suivie de la première observation du mode Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺ et la mesure de sa fraction de branchement avec l'expérience BESIII. Enfin, ces informations de désintégrations Ds⁺ → π⁺π⁻π⁺X sont utilisées pour améliorer la mesure de R(D*), avec l'ensemble des données complètes collectées par le détecteur LHCb. La désintégration Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺ est recherchée en utilisant les données d'annihilation e⁺e⁻ correspondant à une luminosité intégrée totale de 6,32 fb⁻¹, collectées par le détecteur BESIII aux énergies du centre de masse comprises entre 4178 et 4226 MeV. Après avoir considéré les incertitudes systématiques, le mode de désintégration de Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺ est observé pour la première fois avec une signification de 5,5σ. Les processus intermédiaires de la désintégration Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺ sont également étudiés, mais aucune conclusion n'est abordée en raison des limites des statistiques. Le branchement fraction de Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺ le mode de désintégration est mesuré comme étant B(Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺) = (6,9 ± 1,6 ± 0,7) × 10⁻³. La valeur de R(D*) est mesurée avec des échantillons de données de collision pp collectés à partir de 2015 à 2018 par le détecteur LHCb à des énergies de centre de masse de 13 TeV. Le correspondant la luminosité intégrée est de 6 fb⁻¹. La fraction de branchement de B⁰ → D*⁻τ⁺ν est mesurée par rapport à celui de B⁰ → D*⁻π⁺π⁻π⁺ en utilisant les désintégrations hadroniques τ⁺ → π⁺π⁻π⁺(π⁰)ντ : B(B⁰ → D*⁻τ⁺ν)/B(B⁰ → D*⁻π⁺π⁻π⁺) avec la précision statistique record de 3,9%.

The Standard model of particle physics requires lepton flavor universality, a property that the weak coupling constants have the same values for three generations of charged leptons. In recent decades, a long-standing anomaly in the measurement of R(D*), the ratio between B(B⁰ → D*⁻τ⁺ν) and B(B⁰ → D*⁻ℓ⁺ν) (ℓ = e, μ), implicates the violation of lepton flavor universality, of which the confirmation will prove the existence of new physics beyond standard model. The precision measurement of R(D*) provides an important probe for the possible new physics effect that is related to LFUV. Among all experimental measurements performed so far, the hadronic R(D*) analysis at LHCb, where the τ lepton is reconstructed from three charged pions, possesses the highest precision in single measurement. However, the most important physics background in that analysis, B → D*⁻Ds⁺ X(Ds⁺ → π⁺π⁻π⁺X) process, dominates the systematic uncertainties with ten times statistics to the signal decays in the final fit. So the studies of Ds⁺ decays to three charged pions will provide valuable information for separating the background hence reducing the systematic uncertainties, not only in the hadronic R(D*) analysis, but also in all researches involving hadronic τ decays. This thesis starts with a collective study of Ds⁺ decay phenomenology focusing on Ds⁺ → π⁺π⁻π⁺X decays, followed by the first observation of Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺ mode and measurement of its branching fraction at BESIII experiment. Finally, these information of Ds⁺ → π⁺π⁻π⁺X decays are used to improve the R(D*) measurement, with the full Run 2 dataset collected by the LHCb detector. The Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺ decay is searched for by using e⁺e⁻ annihilation data corresponding to a total integrated luminosity of 6.32 fb⁻¹, collected by BESIII detector at center-of-mass energies between 4178 and 4226 MeV. After considering systematic uncertainties, the decay mode of Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺ is observed for the first time with a significance of 5.5σ. Possible intermediate processes of the decay Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺ are also studied, but no conclusion is addressed due to limit of statistics. The branching fraction of Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺ decay mode is measured to be B(Ds⁺ → η′π⁺π⁻π⁺) = (6.9 ± 1.6 ± 0.7) × 10⁻³. The value of R(D*) is measured with pp collision data samples collected from 2015 to 2018 by LHCb detector at center-of-mass energies of 13 TeV. The corresponding integrated luminosity is 6 fb⁻¹. The branching fraction of B⁰ → D*⁻τ⁺ν is measured relative to that of B⁰ → D*⁻π⁺π⁻π⁺ using hadronic τ⁺ → π⁺π⁻π⁺(π⁰)ν decays: B(B⁰ → D*⁻τ⁺ν )/B(B⁰ → D*⁻π⁺π⁻π⁺) with a record relative statistical accuracy of 3.9%.