Recherche des désintégrations $tau^-tomu^-mu^+mu^-$ violant la saveur leptonique et mesures de la résolution spatiale du SVD à Belle II.

Search for $tau^-tomu^-mu^+mu^-$ lepton flavour violating decays and measurement of the SVD cluster position resolution at Belle II experiment.

• Auteur / Autrice : Robin Leboucher
• Direction : Justine Serrano
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : PHYSIQUE DES PARTICULES ET ASTROPARTICULES
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CPPM - Centre de Physique des Particules de Marseille
• Jury : Président / Présidente : Cristinel Diaconu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Justine Serrano, Alexander Glazov, Patrick Robbe, Victor Coco
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexander Glazov, Patrick Robbe

Mots clés

Mots clés libres

Physique des Particules

Recherche de nouvelle physique

Violation de la saveur leptonique

Désintégration du lepton tau

Résolution spatiale

Détecteur à vertex

Particle physics

Search for New Physics

Lepton Flavour Violation

Tau lepton decays

Spatial resolution

Vertex detector

Résumé

Les désintégrations violant la saveur des leptons sont considérées comme l’un des moyens les plus efficaces de rechercher de la physique au-delà du modèle standard, car elles ne sont pas autorisées dans le modèle standard de la physique des particules. Un certain nombre de modèles de nouvelle physique prédisent que les fractions d’embranchement de τ− → μ−μ+μ− sont juste en dessous des limites expérimentales actuelles. L’expérience Belle II, qui opère au laboratoire KEK au Japon, a déjà enregistré une luminosité de 424 fb−1 entre 2019 et 2022 aux énergies de résonance des mésons Υ(4S) ps = 10.58 GeV et Υ(5S). De plus Belle II fourni un environnement idéal pour étudier les désintégrations de tau en raison de son environnement propre et de la section efficace élevée de τ−τ+. Cette thèse présente une recherche de désintégration τ− → μ−μ+μ− dans les événements e+e− → τ+τ−. La stratégie est basée sur une reconstruction ''non étiquetée'' d’un tau en trois muons, tandis que le tau de charge opposée n’est pas contraint afin de maximiser l’efficacité de la sélection du signal. Pour rejeter le bruit de fond, une stratégie en trois étapes est adoptée, basée sur des variables d’identification des muons, des sélections préliminaires et des arbres de décision boostés, qui prennent comme entrées des variables cinématiques, topologiques et d’autres variables liées à l’événement. Le rejet du bruit de fond est optimisé à l’aide d’échantillons simulés par Monte-Carlo afin de minimiser la figure de mérite de Punzi. Après avoir déterminé le nombre attendu de données et l’incertitude systématique, les limites supérieures attendues des rapports d’embranchement τ− → μ−μ+μ− sont estimées à 1.56 × 10−8 en utilisant 424 fb−1. Avec des données dissimulées, on s’attend à ce que la limite de Belle puisse être améliorée avec la moitié de sa luminosité. En outre, la thèse comprend également une mesure de la résolution spatiale du détecteur de vertex en utilisant des capteurs qui se chevauchent. L’événement de données e+e− → μ−μ+ est sélectionné pour ne conserver que le cas où une particule a laissé deux impacts dans la même couche du détecteur. La méthode estime que la résolution spatiale est approximativement comprise entre 15 μm et 32 μm en fonction de la couche et du côté du détecteur.

Lepton flavour violating decays are considered one of the most effective ways to search for physics beyond the standard model, as they are not allowed in the Standard Model of particle physics. A number of new physics models predict that the branching fractions of τ− → μ−μ+μ− are just below the current experimental limits. The Belle II experiment, which operates at the KEK laboratory in Japan, has already collected a luminosity of 424 fb−1 between 2019 and 2022 at the Υ(4S) ps = 10.58 GeV and Υ(5S) mesons resonance energies. In addition, Belle II provides an ideal environment to study tau decays due to its clean environment and high τ−τ+ cross-section. This thesis presents a search for τ− → μ−μ+μ− decays in e+e− → τ+τ− events. The strategy is based on an ''untagged'' reconstruction of one tau going into three muons, while the oppositely charged tau is left unconstrained to maximize the signal selection efficiency. To reject background, a three-step strategy is adopted based on muon identification variables, cut-based selections, and boosted decision trees, which take kinematic, topological, and other event-related variables as inputs. The background rejection is optimized using Monte-Carlo simulated samples to minimize Punzi’s figure of merit. After determining the expected number of data and the systematic uncertainty, the expected upper limits on τ− → μ−μ+μ− branching fractions are estimated to be 1.56 × 10−8 using 424 fb−1. With blinded data, it is expected that the limit of Belle can be improved with half of the luminosity. Moreover, the thesis also includes a measurement of the vertex detector spatial resolution using overlapping sensors. The e+e− → μ−μ+ data event is selected to keep only the case where a particle has left two hits in the same detector layer. The method estimates the spatial resolution to be approximately between 15 μm and 32 μm, depending on the layer and the sensor side.