Recherche de désintégrations du lepton tau violant la saveur leptonique et études de trajectographie dans l’expérience Belle II

Search for lepton flavour violating tau decays and tracking studies in the Belle II experiment

• Auteur / Autrice : Arthur Thaller
• Direction : Justine Serrano
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : PHYSIQUE DES PARTICULES ET ASTROPARTICULES
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CPPM - Centre de Physique des Particules de Marseille
• Jury : Président / Présidente : Cristinel Diaconu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Justine Serrano, Alessandro Gaz, Marie-Hélène Schune, Sacha Davidson
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alessandro Gaz, Marie-Hélène Schune

Mots clés

Mots clés libres

Physique des particules

Saveur leptonique

Physique des hautes energies

Particle physics

Lepton flavour

High energy physics

Résumé

Cette thèse décrit la recherche des désintégrations violant la saveur leptonique (LFV) τ − → e∓l±l'− (l(') = e, μ) en utilisant les données du Run 1 de l’expérience Belle II, correspondant à une luminosité intégrée de L = 424 fb−1. L’analyse est basée sur une reconstruction non étiquetée des candidats signal dans les événements e+e− → τ +τ −, où seul le τ d’intérêt est reconstruit tandis que l’autre est n’est pas contraint. La suppression des événements de bruit de fond est réalisée sur les bandes latérales des données en raison de la contribution importante de processus de QED (e+e− →l+l−l'+l'- l(') = e, μ) qui sont mal modélisés dans les simulations. L’analyse repose sur une combinaison de coupures et un arbre de décision boosté pour atteindre un scénario quasiment libre de tout bruit de fond, tout en maintenant une efficacité de reconstruction du signal entre 15 et 24%. Le rapport d’embranchement est extrait par un ajustement de vraisemblance maximale non biné à la distribution Mell des candidats, et les limites supérieures sont calculées en utilisant la méthode CLS . Les incertitudes systématiques affectant l’efficacité du signal et la modélisation du bruit de fond sont évaluées. Selon les limites attendues évaluées à partir des données dans les régions latérales, l’analyse améliore la sensibilité dans trois des canaux de désintégration (e−e+e−, μ−μ+e− et μ−e+μ−) par rapport aux résultats précédents de Belle obtenus avec 762 fb−1, un canal (e−μ+e−) est comparable aux résultats de Belle et un canal (e−e+μ−) est moins sensible. De plus, trois études sur le taux de fausses traces sont incluses. La première implémente une variable de temps d’impact des traces basée sur la mesure du détecteur de vertex en silicium (SVD), la deuxième utilise un classificateur pour rejeter les impacts de détecteur basés sur les informations de temps dans des conditions dégradées d’acquisition des données, et la troisième étudie le taux de fausses traces dans la mise à niveau proposée du détecteur de vertex (VTX).

This thesis reports the search for the Lepton Flavour Violating (LFV) decay τ − → e∓l±l'− (l(') = e, μ) using the Run 1 dataset of the Belle II experiment, corresponding to an integrated luminosity L = 424 fb−1. The analysis is based on an untagged reconstruction of the signal candidates in e+e− → τ +τ − events, where only the signal τ is reconstructed while the other is left unconstrained. The background suppression is performed on data sidebands due to the important contribution of QED processes (e+e− →l+l−l'+l'- l(') = e, μ) that are mis-modeled in the simulations. The analysis relies on a combination of selection criteria and a BDT classifier to achieve an almost background-free scenario, while maintaining a signal reconstruction efficiency in the range [15-24]%. The branching fraction is extracted with an unbinned maximum likelihood fit to the Me``′ distribution, and the upper limits are computed using the CLS method. The systematic uncertainties affecting the signal efficiency and the background modelling are evaluated. According to the expected limits evaluated using data sidebands, the analysis improves the sensitivity in three of the modes (e−e+e−, μ−μ+e− and μ−e+μ−) compared to the previous Belle’s results obtained with 762 fb−1, one mode (e−μ+e−) is comparable to Belle’s results and one mode (e−e+μ−) is less sensitive. In addition, three studies of the fake tracks rate are included. The first one implements a track time variable based on measurement from the silicon vertex detector (SVD), the second one uses a classifier to reject detector hits based on the time information in degraded data acquisition conditions and the third one studies the fake tracks rate in the proposed upgrade of the vertex detector (VTX).