Mesure de l'angle gamma de la matrice CKM avec la désintégration Lambda⁰_b -> D⁰ p K⁻ et commissioning de l'Upstream Tracker à l'expérience LHCb

Measurement of the CKM angle gamma with the Lambda⁰_b -> D⁰ p K⁻ decay and commissioning of the Upstream Tracker at the LHCb experiment

• Auteur / Autrice : Chiara Mancuso
• Direction : Patrick Robbe, Nicola Neri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 23/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Università degli studi (Milan, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....) - Istituto nazionale di fisica nucleare (Italie)
• 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 : Achille Stocchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arantza de Oyanguren Campos, Jolanta Brodzicka, Emi Kou, Elisa Minucci, Giancarlo Ferrera
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arantza de Oyanguren Campos, Jolanta Brodzicka

Mots clés

Mots clés contrôlés

Saveur des quarks

Grand collisionneur de hadrons

Baryons

Mots clés libres

Violation de CP

Baryon

Beauté

Experience LHCb

Physique des saveurs

CP violation

Baryon

Beauty

LHCb experiment

Flavour physics

Résumé

La violation de la Parité de Charge (CP) est un phénomène bien documenté décrit par le Modèle Standard (MS) de la physique des particules. La compréhension de la violation de CP peut expliquer pourquoi la matière a prévalu sur l'antimatière après le Big Bang, ce qui explique essentiellement notre existence. De nombreuses prédictions théoriques ont été observées expérimentalement, à commencer par la découverte en 1964 de la violation de CP dans le système du kaon neutre par James Cronin et Val Fitch. Depuis lors, de nombreuses expériences de physique des saveurs ont enrichi nos connaissances, observation après observation. Aujourd'hui, alors que la violation de CP dans les systèmes de mésons a été largement étudiée, la violation de CP dans les systèmes de baryons reste largement inexplorée. Cette thèse contribue à ce domaine en tirant parti de la capacité unique de l'expérience LHCb à produire des baryons en quantités suffisantes pour des études détaillées de la saveur. L'accent est mis sur la particule Lambda⁰_b, qui se désintègre en un état final à trois corps, D⁰p K⁻, le méson D⁰ se désintégrant ensuite en deux hadrons. L'ensemble de données comprend 9 fb⁻¹ de collisions pp collectées entre 2011 et 2018 à des énergies de centre de masse de 7, 8 et 13 TeV. L'état final D⁰ a été sélectionné en choisissant la technique adoptée plus tard dans la recherche : la méthode GLW (Gronau, London, Wyler), qui se concentre sur les états propres paires de CP, en particulier deux kaons ou deux pions. Une asymétrie entre l'état final et son opposé dans le miroir pourrait être utilisée pour mesurer, par la méthode GLW, l'angle γ CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa), un paramètre fondamental décrivant la violation de CP dans le MS. L'étude utilise de nouveaux algorithmes d'apprentissage automatique (ML) pour optimiser les candidats au signal, améliorant ainsi le rendement du signal même dans les canaux précédemment explorés par la collaboration. Cette analyse est complétée par un travail sur le détecteur Upstream Tracker (UT), installé après le Long Shutdown 1 (LS1) et opérationnel lors du Run 3 du LHC. Positionné en amont de l'aimant dipolaire de LHCb, l'UT améliore la résolution en quantité de mouvement des particules chargées et réduit le taux de traces fantômes. Elle fournit des mesures spatiales de haute précision, contribuant à la reconstruction précise des traces, aux côtés du localisateur de vertex (VELO) et du traqueur de fibres scintillantes (SciFi). Cette thèse détaille les différentes phases de la mise en service de l'UT, depuis l'installation et le test des cartes de contrôle des détecteurs (DCB) jusqu'au contrôle de l'acquisition des données et à la caractérisation des capteurs en silicium. Les tests ont consisté à s'assurer de la bonne alimentation des cartes et du fonctionnement des liaisons optiques. La caractérisation était cruciale pour identifier et masquer les pics de bruit anormaux dans les capteurs et assurer le bon fonctionnement de la chaîne d'amplification. Enfin, le contrôle des données en temps réel pendant les essais est essentiel pour vérifier le bon fonctionnement du détecteur et intervenir en cas de dysfonctionnement.

Charge Parity (CP) violation is a well-documented phenomenon described by the Standard Model (SM) of particle physics. Understanding CP violation can explain why matter prevailed over antimatter after the Big Bang, essentially explaining our existence. Many theoretical predictions have been experimentally observed, starting with the 1964 discovery of CP violation in the neutral kaon system by James Cronin and Val Fitch. Since then, numerous flavour physics experiments have enriched our knowledge, observation after observation. Today, while CP violation in meson systems has been extensively studied, CP violation in baryon systems remains largely unexplored. This thesis contributes to this field, leveraging the LHCb experiment’s unique capability to produce baryons in sufficient quantities for detailed flavour studies. The focus is on the Lambda⁰_b particle, which decays into a three-body final state, D⁰p K⁻, with the D⁰meson further decaying into two hadrons. The dataset comprises 9 fb⁻¹ of pp collisions collected between 2011 and 2018 at center-of-mass energies of 7, 8, and 13 TeV. The D⁰ final state has been selected choosing the technique later adopted in the research: the GLW (Gronau, London, Wyler) method, which focuses on CP-even eigenstates, specifically two kaons or two pions. An asymmetry between the final state and its mirror-opposite could be used to measure through the GLW method the CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) angle γ, a fundamental parameter describing CP violation within the SM. The study employs new Machine Learning (ML) algorithms to optimise signal candidates, enhancing signal yield even in channels previously explored by the collaboration. Complementary to this analysis is a work on the Upstream Tracker (UT) detector, installed after Long Shutdown 1 (LS1) and operational in Run 3 of the LHC. Positioned upstream of the LHCb dipole magnet, the UT improves the momentum resolution of charged particles and reduces the rate of ghost tracks. It provides high-precision spatial measurements, contributing to accurate track reconstruction alongside the Vertex Locator (VELO) and the Scintillating Fibre Tracker (SciFi). This thesis details various phases of the UT commissioning, from installing and testing the Detector Control Boards (DCBs) to monitoring data acquisition and characterising silicon sensors. Tests involved ensuring the correct powering of boards and the functioning of optical links. Characterisation was crucial to identify and mask anomalous noise peaks in sensors and ensure proper operation of the amplification chain. Finally, real-time data monitoring during runs is essential to verify the detector’s correct functioning and intervene in case of malfunctioning.