Analyses en amplitudes des désintégrations de mésons beaux en trois corps sans particule charmée avec l'expérience LHCb : B(s)0 → KS K+ K–

Amplitude analysis of charmless three-body decays of bottom mesons at LHCb : B(s)0 → KS K+ K–

• Auteur / Autrice : Edoardo Mariani
• Direction : Matthew Charles, Eli Benhaim
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Physique nucléaire et hautes énergies (Paris ; 1997-....)

Mots clés

Mots clés libres

Physique de saveurs

Mésons beaux

Violation de symétrie CP

Analyses en amplitudes

Flavour physics

Bottom mesons

CP symmetry violation

Amplitude analysis

Résumé

L'un des buts de l'expérience LHCb au CERN est d'étudier la physique des hadrons beaux. Elle permet de traquer la physique au-delà du modèle standard, éventuellement la mettre en évidence et étudier ses propriétés. La thèse proposée portera sur une étude des désintégrations hadroniques des mésons beaux vers un état final sans particule charmée (B(s)0 → KS K+ K−), à la fois avec l'ensemble des données prises lors de la première phase de LHCb : 2011-2018 (Runs 1-2), et avec les nouvelles données au redémarrage du LHC (dites de Run 3). En 2022, presque tous les sous-détecteurs de LHCb ont été remplacés ou mis à niveau, ainsi que son système de déclenchement. L'expérience adopte une approche de reconstruction et d'analyse en temps réel (Real Time Analysis - RTA). Ceci permet à l'expérience d'opérer avec une luminosité cinq fois plus grande par rapport à celle de la phase précédente, tout en augmentant l'efficacité de déclenchement pour les désintégrations hadroniques. Ainsi, LHCb pourra analyser plus de collisions et enregistrer un lot de données plus important. L'ensemble des données du Run 3, d'un volume environ 10 fois plus important que l'échantillon existant des Runs 1-2, seront disponibles fin 2025, avant la fin de la thèse. Les désintégrations hadroniques du méson B permettent d'étudier un large spectre d'observables physiques, parmi lesquelles on compte les rapports de branchement, les asymétries directes de CP, les phases dites « forte » et « faible » et les angles du triangle d'unitarité. Ces études fournissent de l'information sur la dynamique des interactions à la fois forte et faible. Le rapport d'embranchement typique des modes en question est en dessous de 10−5 ; leur étude nécessite donc, en général, un grand échantillon de données et un usage de méthodes puissantes pour rejeter du bruit de fond. Le groupe LPNHE-LHCb a déjà effectué de telles analyses avec les données de LHCb et de BABAR. Une mesure des rapports de branchement des différents modes B0d,s → KS h+ h'− (où h et h' sont des pions ou des kaons), utilisant la totalité des données des Runs 1-2, est dans une phase de finalisation, et sera suivie d'analyses en amplitudes qui incluent l'espace de phases de la désintégration, dit le « plan de Dalitz », de sorte à étudier tous les modes résonnants intermédiaires. Cette méthode, bien qu'impliquant des difficultés techniques dans l'analyse, permet d'exploiter l'interférence entre les états résonnants intermédiaires pour lever les dégénérescences sur certaines phases. Elle donnera, entre autres, une mesure de l'asymétrie CP de chacun de ces états, qui est un ingrédient pour la recherche de la physique au-delà du modèle standard dans les modes dits « pingouins » (b → qqs et b → ssd). Une thèse déjà en cours traite une analyse en amplitude intégrée sur le temps de la désintégration B0d → KS K+ K−, avec les données des Runs 1-2 (plus celles à venir en 2023). En ajoutant les données du Run 3, le.a futur.e doctorant.e effectuera une analyse intégrée sur le temps de la désintégration plus rare B0s → KS K+ K−, et une analyse dépendante du temps de B0d → KS K+ K−. Le groupe du LPNHE est impliqué dans de l'activité de recherche et développement pour la jouvence (upgrade) dite de phase 2 de LHCb. Il s'agit de l'électronique de lecture du trajectographe en amont de l'aimant (le Upstream Tracker), et du système de déclenchement logiciel qui est une partie du projet RTA. Le.a doctorant.e pourrait s'intégrer dans l'une de ces activités. Ce sujet de thèse propose la possibilité de s'intégrer à une activité de recherche récente, avec des enjeux importants, dans le cadre d'une collaboration dynamique. A la fin de sa thèse le.a candidat.e connaîtra des outils complexes d'analyse de physique de particules, aura une connaissance approfondie des performances du nouveau détecteur LHCb, et sera familiarisé.e avec un « objet » particulièrement crucial de cette physique : le méson B.

One of the goals of the LHCb experiment at CERN is to study the physics of beauty hadrons. It aims to track physics beyond the standard model, potentially highlighting and studying its properties. The proposed thesis will focus on studying the hadronic decays of beauty mesons to a final state without a charmed particle (B(s)0 → KS K+ K−), using both the data collected during the first phase of LHCb: 2011-2018 (Runs 1-2), and the new data from the LHC restart (known as Run 3). In 2022, almost all of the sub-detectors of LHCb were replaced or upgraded, along with its triggering system. The experiment adopts a real-time reconstruction and analysis approach (Real-Time Analysis - RTA). This allows the experiment to operate with a luminosity five times greater than that of the previous phase while increasing the trigger efficiency for hadronic decays. As a result, LHCb will be able to analyze more collisions and record a larger dataset. The entire dataset from Run 3, which is about 10 times larger than the existing sample from Runs 1-2, will be available by the end of 2025, before the completion of the thesis. The hadronic decays of the B meson allow for the study of a wide range of physical observables, including branching ratios, direct CP asymmetries, so-called "strong" and "weak" phases, and the angles of the unitarity triangle. These studies provide information about the dynamics of both strong and weak interactions. The typical branching ratio of the modes under investigation is below 10^(-5), so their study generally requires a large dataset and the use of powerful methods to reject background noise. The LPNHE-LHCb group has already performed such analyses using LHCb and BABAR data. A measurement of the branching ratios of different modes B0d,s → KS h+ h'− (where h and h' are pions or kaons), using the entire dataset from Runs 1-2, is in the finalization phase and will be followed by amplitude analyses that include the Dalitz plot of the decay, which allows for the study of all intermediate resonant modes. This method, although technically challenging, exploits the interference between intermediate resonant states to resolve degeneracies in certain phases. It will provide, among other things, a measurement of the CP asymmetry of each of these states, which is an ingredient for the search for physics beyond the standard model in so-called "penguin" modes (b → qqs and b → ssd). A thesis currently in progress focuses on an integrated amplitude analysis of the decay time of B0d → KS K+ K−, using data from Runs 1-2 (including upcoming data in 2023). By adding the data from Run 3, the future doctoral candidate will perform an integrated amplitude analysis of the rarer decay B0s → KS K+ K−, as well as a time-dependent analysis of B0d → KS K+ K−. The LPNHE group is involved in research and development activities for the phase 2 upgrade of LHCb, referred to as the "jouvence" (upgrade). This includes the readout electronics of the upstream tracker and the software triggering system, which is part of the RTA project. The doctoral candidate could integrate into one of these activities. This thesis topic offers the opportunity to participate in recent research activities with significant stakes within a dynamic collaboration. By the end of the thesis, the candidate will have acquired advanced tools for particle physics analysis, an in-depth understanding of the performance of the new LHCb detector, and familiarity with a particularly crucial "object" in this field: the B meson.