Nous rapportons les résultats d'une étude des désintégrations semileptoniques non-charmées B^+--> êta^(') l^+v et B^0--> pi^- l^+v, mesurés par le détecteur BABAR avec une production d'environ 464 millions de paires de mésons BBbar issues des collisions e^+e^- à la résonance Upsilon(4S). L'analyse reconstruit les événements avec une technique relâchée des neutrinos. Nous obtenons les rapports d'embranchement partiels pour les désintégrations B^+--> êta l^+v et B^0--> pi^- l^+v en trois et douze intervalles de q^2, respectivement, à partir desquels nous extrayons les facteurs de forme f_+(q^2) et les rapports d'embranchement totaux B(B^+--> êta l^+v) = (3.39 +/- 0.46_stat +/- 0.47_syst) x 10^-5 et B(B^0--> pi^- l^+v) = (1.42 +/- 0.05_stat +/- 0.08_syst) x 10^-4. Nous mesurons aussi B(B^+--> êta' l^+v) = (2.43 +/- 0.80_stat +/- 0.34_syst) x 10^-5. Nous obtenons les valeurs de la norme de l'élément |V_ub| de la matrice CKM en utilisant trois calculs différents de la CDQ. / We report the results of a study of the exclusive charmless semileptonic decays, B^+--> êta^(') l^+v and B^0--> pi^- l^+v, undertaken with approximately 464 million BBbar pairs collected at the Upsilon(4S) resonance with the BABAR detector. The analysis uses events in which the signal B decays are reconstructed with a loose neutrino reconstruction technique. We obtain partial branching fractions for B^+--> êta l^+v and B^0--> pi^- l^+v decays in three and twelve bins of q^2, respectively, from which we extract the f_+(q^2) form-factor shapes and the total branching fractions B(B^+--> êta l^+v) = (3.39 +/- 0.46_stat +/- 0.47_syst) x 10^-5 and B(B^0--> pi^- l^+v) = (1.42 +/- 0.05_stat +/- 0.08_syst) x 10^-4. We also measure B(B^+--> êta' l^+v+) = (2.43 +/-0.80_stat +/- 0.34_syst) x 10^-5. We obtain values for the magnitude of the CKM matrix element |V_ub| using three different QCD calculations.

Ce document de thèse décrit la recherche des désintégrations en trois corps des mésons beaux neutres qui contiennent un KS ou un pi 0 dans l'état final. Ces événements sont reconstruits au moyen du spectromètre LHCb installé auprès du collisionneur proton-proton LHC, sis au Cern à Genève. La phénoménologie des ces modes est riche et couvre la possibilité de mesurer tous les angles du triangle d'Unitarité de la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) qui décrit les amplitudes de transition par courant chargé faible entre quarks. Une illustration portant sur la mesure de l'angle gamma est développée dans ce document plus en détail. L'accélérateur LHC et les éléments utiles du spectromètre LHCb sont rapportés en mettant l'accent sur le travail conduit au cours de cette thèse sur l'étalonnage et l'alignement du détecteur de pieds de gerbe du calorimètre électromagnétique. Nous avons construit une méthode de calibration du détecteur au moyen de particules qui le traversent au minimum d'ionisation. Les résultats et les performances de ces calibrations sont discutées. Une méthode de discrimination des pi 0 et des photons de haute énergie est présentée, bénéficiant des mesures des caractéristiques des cascades électromagnétiques dans le PreShower et le calorimètre. Ces informations sont combinées dans une analyse multivariable. La stratégie de contrôle des performances du discriminateur directement à partir des données est discutée et cet outil est appliqué à la recherche des états finals B to hh pi 0. Une recherche similaire des modes de désintégration B{d,s} to KShh, où h peut être un pion ou un kaon chargé a été conduite. Ce mode de désintégration permet de mesurer la phase faible du mélange des mésons Bd ou Bs et la comparaison de ces déterminations avec celles extraites des modes charmonia peut permettre de mettre en évidence une phase faible au-delà du Modèle Standard dans l'amplitude de désintégration. La première étape de cette analyse consiste à établir les signaux des modes non encore observés B{s} to KShh. Ce travail exploratoire présente la première observation du mode B{s} to KSK pi. / This thesis describes an exploratory work on three-body charmless neutral $B$ mesons decays containing either a $K_S$ or a $\pi^0$. The events are reconstructed with the LHCb spectrometer installed at Cern (Geneva, CH) recording the proton-proton collisions delivered by the Large Hadron Collider (LHC). The phenomenology of such modes is rich and covers the possibility to measure all angles of the unitarity triangle linked to the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix. The single example of the $\gamma$ measurement is explored in this document. The LHC accelerator and the most relevant sub-detector elements of the LHCb spectrometer are described in details. In particular, emphasis is given to the calorimetry system for which the calibration and alignment of the PreShower (PRS) of the electromagnetic calorimeter has been performed. We used particles at minimum ionisation deposit for such a task. The calibration results until year 2011 are reported as well as the method of the PS alignment with respect to the tracking system of the spectrometer. A method to discriminate high energy $\pi^0$ and photon is introduced, based on electromagnetic cascade information combined into a multivariate analysis. The strategy to evaluate the performance is given and the tool is applied to the exploratory search of $B \to hh\pi^0$ final states. Additionally, we conducted a similar search for the modes $B_{d,s} \to K_Shh$, where $h$ can be either a charged kaon or a pion. The physics reach of such modes lies in the possibility of measuring the $\beta$ and $\beta_s$ CKM angles to be compared to their charmonia extraction. Differences in between these two determinations can be the sign of New Physics. The first step of this search is to establish the unobserved modes $B_{s} \to K_Shh$. We report in a fifth of the data 2011 statistics the first observation of the decay channel $B_{s} \to K_SK\pi$.

This thesis presents first measurements of moments of the hadronic n_X^2 distribution measured in inclusive semileptonic decays of B mesons to final states containing a charm quark, B->Xc l nu. The variable n_X^2 is a combination of the invariant mass of the charmed meson m_X, its energy in the B-meson rest-frame E_X, and a constant \tilde{\Lambda} = 0.65 GeV, n_X^2 = m_X^2 c^4 - 2 \tilde{\Lambda} E_X + \tilde{\Lambda}^2. The moments <n_X^k> with k=2,4,6 are measured as proposed by theory to constrain assumptions made in the theoretical description of inclusive observables in semileptonic B-meson decays. This description uses Heavy Quark Expansion (HQE), an effective QCD combined with an Operator Product Expansion. The measurement is based on a sample of 231.6 million e+e- -> Y(4S) -> B\bar{B} events recorded with the BABAR experiment at the PEP-II e+e--storage rings at SLAC. We reconstruct the semileptonic decay by identifying a charged lepton in events tagged by a fully reconstructed hadronic decay of the second B meson. Correction procedures are derived from Monte Carlo simulations to ensure an unbiased measurement of the moments of the n_X^2 distribution. All moments are measured requiring minimum lepton momenta between 0.8 GeV/c and 1.9 GeV/c in the rest frame of the B meson. Performing a simultaneous fit to the measured moments <n_X^k> up to order k=6 combined with other measurements of moments of the lepton-energy spectrum in decays B->Xc l nu and moments of the photon-energy spectrum in decays B->Xs gamma, we determine the quark-mixing parameter |V_{cb}|, the bottom and charm quark masses, the semileptonic branching fraction BR(B->X l nu), and four non-perturbative heavy quark parameters. Using HQE calculations in the kinetic scheme up to order 1/m_b^3 we find |V_{cb}| = (41.65 +- 0.43 +- 0.40 +- 0.58) x 10^{-3} and m_b = (4.570 \pm 0.033 \pm 0.043)GeV/c^2, where the first uncertainty refers to experimental contributions, the second to uncertainties in the HQE, and the third to theoretical uncertainties in the calculations of the semileptonic decay rate. All obtained results are consistent with previous determinations. The inclusion of the moments <n_X^6> decreases the uncertainty on the HQE parameters mu_{pi} and rho_{D}. Furthermore, the theoretical treatment of higher order corrections in the HQE used for the moments <m_X^k> has been verified with these new measurements.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Two measurements of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa angle &gamma; using B &rarr; DK and B⁰ &rarr; DK^&ast;0 decays are presented in this thesis. The subsequent D meson decays to the K_S⁰&pi;⁺&pi;^− and K_S⁰K⁺K^− final states are studied using a binned Dalitz plot analysis. The D strong-phase variation over the Dalitz plot is taken from measurements performed at the CLEO-c experiment, making the analysis independent of a model to describe the D decay amplitude. Both measurements are performed using proton-proton collision data collected by the Large Hadron Collider beauty (LHCb) experiment in 2011 and 2012, corresponding to an integrated luminosity of 3 fb^−1 at centre-of-mass energies &radic;s = 7 TeV and 8 TeV. The value &gamma;= (62 ⁺¹⁵<sub style='position: relative; left: -1.7em;'>−14</sub>)° is measured using B⁰ &rarr; DK^&ast;0 decays and &gamma; = (71 ± 20)° is measured using B⁰ &rarr; DK^&ast;0 decays, with a second solution for each value corresponding to &gamma; + 180°. The measurements are consistent with the world average value of &gamma;.

Une analyse en amplitudes dépendantes du temps des désintégrations $B^0 \to K^0_S\pi^+\pi^-$ est effectuée afin de mesurer les paramètres de violation de CP des modes $f_0(980)K_S^0$ et $\rho^0(770)K_S^0$, ainsi que l'asymétrie directe de CP pour $K^*(892)^\pm\pi^\mp$. Les résultats sont obtenus à partid d'un échantillon de $(383\pm 3)\times10^{6}$ paires $B\bar{B}$, enregistrées par le détecteur \babar\ auprès du collisionneur asymétrique PEPII au SLAC. Deux solutions sont trouvées, avec des figures de mérite équivalentes sur la qualité de l'ajustement. En incluant les incertitudes systématiques et provenant du modèle de Dalitz utilisé, l'intervalle de confiance combiné sur $\beta_{\rm eff}$ dans le mode $f_0(980)K_S^0$ est $18^\circ< \beta_{\rm eff}<76^\circ$ (à $95\%$ C.L.) ; la conservation de CP dans ce mode est exclue à $3.5$ écarts standard. Pour le mode $\rho^0(770)K_S^0$, l'intervalle de confiance combiné est est $-9^\circ< \beta_{\rm eff}<57^\circ$ (à $95\%$ C.L.). Pour le mode $K^*(892)^\pm\pi^\mp$, le paramètre d'asymétrie directe de CP est $A_{\rm CP}=-0.20 \pm 0.10\pm 0.01\pm 0.02$. La mesure de la phase relative entre les amplitudes de désintégration $B^0\to K^*(892)^+\pi^-$ et $\bar{B}^0\to K^*(892)^-\pi^+$ exclut l'intervalle $[-132^\circ : +25^\circ]$ (à $95\%$ C.L.). Les rapports d'embranchement et les asymétries directes de CP sont mesurées pour tous les modes résonants intermédiaires significatifs. Les mesures obtenues dans les modes $\rho^0(770) K^0_S$ et $K^{*\pm}(892)\pi^{\mp}$ sont utilisées comme paramètres d'entrée dans une analyse phénoménologique des désintégrations $B \to K^*\pi$ et $B \to \rho K$, basée uniquement sur la symétrie d'isospin $SU(2)$. L'ajout d'informations extérieures sur la matrice CKM permet de poser des contraintes sur l'espace des paramètres hadroniques. Pour $B \to K^*\pi$, les intervalles obtenus sur les pingouins électrofaibles ne sont que marginalement en accord avec les attentes théoriques. Les contraintes sur la matrice CKM sont dominées par des incertitudes d'origine théorique. Une étude de prospective, utilisant les améliorations attendues sur les mesures de ces modes à LHCb, ou dans les programmes futurs tels que Super-B ou Belle-upgrade, permet d'illustrer le potentiel de physique de cette approche.

Dans cette thèse nous présentons des études sur les mésons B effectués en utilisant les données enregistrées par l'expérience Babar auprès de PEP-II à SLAC. D'abord nous présentons la recherche des désintégrations B+→D+K(*)0. Ces modes de désintégration sont intéressants car il s'agit de processus d'annihilation qui fournit des informations importantes sur la dynamique de la désintégration des mésons beaux et les éléments de la matrice CKM, Vij. Les résultats obtenus sur ces modes de désintégration peuvent être utilisés dans des ajustements phénoménologiques. Cela permet de traduire les mesures sur les amplitudes chargées B+→D+K(*)0 en estimations sur les amplitudes B0→D0K(*)0 supprimées par Vub. L'analyse expérimentale est effectuée en utilisant plusieurs modes de désintégration du méson D chargé. Nous n'avons obtenu aucune évidence significative de signal et les limites supérieures sur les rapports d'embranchement suivants ont été établies. Dans la deuxième partie de la thèse nous présentons des études sur la violation de CP dans le système des mésons B et en particulier la mesure de l'angle γ du Triangle d'Unitarité. L'angle γ est la phase relative entre les éléments Vub et Vcb de la matrice CKM. Un paramètre crucial qui détermine la sensibilité à γ est le rapport r entre les amplitudes de transition b→u et b→c. Dans cette thèse nous présentons une analyse du canal de désintégration des mésons B: B+→D0K+. Ces désintégrations sont étudiées en utilisant la méthode ADS et le méson neutre D est reconstruit dans son état final Kππ0. En combinant cette analyse avec une analyse similaire qui utilise l'état final Kπ des D0 le rapport r et l'angle γ ont été déterminés.

A ce jour la détermination de l’angle γ du Triangle d’Unitarité de la matrice de Cabibbo-Kabayashi-Maskawa est statistiquement limitée par la rareté des transitions b→ u. La précision obtenue en combinant les résultats des expériences BABAR et BELLE est proche de 10°. L’expérience LHCb auprès du LHC présente un fort potentiel d’amélioration pour ce paramètre de violation de CP, notamment via la désintégration Bd0 -> D0K*0, un des canaux clés de cette mesure. Les désintégrations D0 -> Kπ, D0 -> Kππ0 et D0 -> Kπππ sont étudiées dans cette thèse. L’utilisation de désintégrations faisant intervenir des π0 nécessite un bon étalonnage en énergie des calorimètres électromagnétiques. Une méthode d’étalonnage intercellules du ECAL basée sur le flux d’énergie, permet d’obtenir une inter-calibration de l’ordre de 1,5 %, l’échelle d’énergie absolue étant obtenue par des méthodes indépendantes non étudiées ici. La détermination du rapport d’embranchement de la désintégration Bs0 -> D0K*0, première étape du programme aboutissant à la mesure de la violation de CP dans le canal Bd0 -> D0K*0, est réalisée relativement au rapport d’embranchement de Bd0 -> D0ρ0. Le résultat final obtenu avec 36 pb−1 de données collectées par LHCb en 2010 reste dominé par l’erreur statistique :BR(Bs0 -> D0K*0)/BR(Bd0 -> D0ρ0) = 1, 48 ± 0, 34 (stat) ± 0, 15 (syst) ± 0, 12 (fd/fs). / The present status on the determination of the angle γ of the Cabibbo-Kabayashi-Maskawa Unitary Triangle is statistically limited by the rarity of b→ u transitions. The obtained precision combining results from the BABAR and BELLE experiments is close to 10°. The LHCb experiment at the LHC has a strong potential to reduce the uncertainty on this CP violation parameter, especially through the Bd0 -> D0K*0 decay, one of the key channels for this measurement. The D0 -> Kπ, D0 -> Kππ0 and D0 -> Kπππ decays are studied in this thesis. Decays involving π0 require an accurate energy calibration of electromagnetic calorimeters. An inter-calibration technique based on the energy flow allows to obtain the 1.5 % level, the absolute scale being obtained from independent methods studied elsewhere. The determination of the Bs0 -> D0K*0 decay branching ratio, first step towards a measurement of CP violation in the Bd0 -> D0K*0 channel, is performed relatively to the Bd0 -> D0ρ0 decay. The final result, obtained with 36 pb−1 of data collected by LHCb in 2010 is dominated by the statistical uncertainty:BR(Bs0 -> D0K*0)/BR(Bd0 -> D0ρ0) = 1, 48 ± 0, 34 (stat) ± 0, 15 (syst) ± 0, 12 (fd/fs).

Le mélange des quarks est décrit dans le modèle standard de la physique des particules par le mécanisme de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). À ce jour, l'angle gamma du triangle d'unitarité est un des paramètres de ce mécanisme mesuré avec la moins bonne précision. La mesure de cet angle sert de référence pour le modèle standard, puisqu'elle peut être réalisée sans contribution significative de nouvelle physique. La précision actuelle de la meilleure mesure directe de gamma est d'environ 10°, alors que les ajustements globaux des paramètres CKM, potentiellement sujets à une contribution de nouvelle physique, déterminent cet angle à quelques degrés près. Par conséquent, une mesure directe précise de cette quantité est nécessaire pour contraindre d'avantage le triangle d'unitarité de la matrice CKM et ainsi tester la cohérence de ce modèle. Cette thèse présente une mesure de gamma par une analyse de Dalitz du canal B0->DK*0, avec une désintégration du méson D en K0Spipi. Elle est basée sur les 3 fb⁻¹ de données enregistrés par LHCb pendant le Run I du LHC, à une énergie de collision proton-proton dans le centre de masse de 7 et 8 TeV. Ce canal est sensible à gamma par l'interférence entre les transitions b->u et b->c. La mesure des observables de violation de CP réalisée est x- = -0.09 ^{+0.13}_{-0.13} ± 0.09 ± 0.01 , x+ = -0.10 ^{+0.27}_{-0.26} ± 0.06 ± 0.01 , y- = 0.23 ^{+0.15}_{-0.16} ± 0.04 ± 0.01 , y+ = -0.74 ^{+0.23}_{-0.26} ± 0.07 ± 0.01 , où le première incertitude est statistique, la deuxième est l'incertitude systématique expérimentale et la troisième est l'incertitude systématique venant du modèle de Dalitz. Une interprétation fréquentiste de ces observables donne rB0 = 0.39 ± 0.13 , deltaB0 = ( 186^{+24}_{-23} )° , gamma = ( 77^{+23}_{-24})° , où rB0 est le module du rapport des amplitudes des désintégrations supprimées et favorisées et deltaB0 la différence de phase forte entre ces deux désintégrations. Par ailleurs, un travail sur l'optimisation de la reconstruction des photons pour la mise à niveau du détecteur LHCb est aussi présenté. Lors du Run III du LHC, la luminosité instantanée reçue par LHCb sera augmentée d'un facteur cinq, générant un plus grand recouvrement entre les cascades se développant dans le calorimètre électromagnétique. L'étude montre que l'effet de ce recouvrement entre les gerbes est limité en réduisant la taille des clusters utilisés pour la détection des photons, tout en évitant une diminution significative de l'énergie reconstruite. Avec des corrections adaptées, la nouvelle reconstruction développée améliore la résolution en masse de 7 à 12%, suivant la région du calorimètre considérée. / Quark mixing is described in the standard model of particle physics with the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa mecanism. The angle gamma of the unitarity triangle is one of the parameters of this mecanism that is still determined with a large uncertainty. It can be measured without significant contribution of new physics, making it a standard model key measurement. The current precision of the best direct measurement of gamma is approximately 10°, whereas the global fits of the CKM parameters determine this angle up to a few degrees. Therefore precise measurement of this quantity is needed to further constrain the Unitarity Triangle of the CKM matrix, and check the consistency of the theory. This thesis reports a measurement of gamma with a Dalitz analysis of the B0->DK*0 channel where the D meson decays into K0Spipi, based on the 3 fb⁻¹ of proton-proton collision data collected by LHCb during the LHC Run I, at the centre-of-mass energy of 7 and 8 TeV. This channel is sensitive to gamma through the interference between the b->u and b->c transitions. The CP violation observables are measured to be x- = -0.09 ^{+0.13}_{-0.13} ± 0.09 ± 0.01 , x+ = -0.10 ^{+0.27}_{-0.26} ± 0.06 ± 0.01 , y- = 0.23 ^{+0.15}_{-0.16} ± 0.04 ± 0.01 , y+ = -0.74 ^{+0.23}_{-0.26} ± 0.07 ± 0.01 , where the first uncertainty is statistical, the second is the experimental systematic uncertainty and the third is the systematic uncertainty due to the Dalitz model. A frequentist interpretation of these observables leads to rB0 = 0.39±0.13 , deltaB0 = ( 186^{+24}_{-23} )°, gamma = ( 77^{+23}_{-24} )° , where rB0 is the magnitude of the ratio between the suppressed and favoured decays and deltaB0 the strong phase difference between these two decays. In addition, the work performed on the optimisation of the photon reconstruction for the upgraded LHCb detector is reported. During LHC Run III, the LHCb instantaneous luminosity will be increased by a factor five, implying a larger shower overlap in the electromagnetic calorimeter. The study shows that reducing the cluster size used in the photon reconstruction limits the effect of the overlap between the showers, without inducing a significant energy leakage. With some dedicated corrections, the new cluster reconstruction improves the Bs->Phi gamma mass resolution by 7 to 12%, depending on the calorimeter region.

In dieser Arbeit wird die Messung zweier fundamentaler Parameter des Standardmodells der Teilchenphysik diskutiert: der Betrag des CKM Matrixelements Vcb und die b-Quarkmasse. / In this work, the preliminary measurements of two fundamental parameters of the Standard Model of particles physics are presented: the CKM matrix element Vcb, and the b-quark mass.