京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20168号 / 理博第4253号 / 新制||理||1611(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 福間 將文, 教授 川合 光, 教授 畑 浩之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

Les désintégrations semileptoniques du méson $B$ participent à la détermination de certains paramètres fondamentaux du Modèle Standard. Ce travail décrit essentiellement l'étude des deux canaux de désintégrations $B_s \to D_s \ell \bar\nu_\ell$ et $B\to D^{**} \ell\bar\nu_\ell$ (où les $D^{**}$ sont les premières excitations orbitales des mésons $D$ ayant une parité positive). Le cadre théorique est celui de la QCD sur réseau qui, en discrétisant l'espace-temps, permet de calculer non perturbativement les fonctions de Green de la théorie. En utilisant l'action à masse twistée avec deux saveurs dégénérées de quarks dynamiques ($N_f=2$), nous avons commencé par étudier la spectroscopie des états charmés scalaires $D_0^*$ et tenseurs $D_2^*$. Ensuite, nous avons réalisé la détermination du facteur de forme $G_s(1)$ décrivant le processus $B_s\to D_s \ell \bar\nu_\ell$ dans le Modèle Standard. Ce paramètre offre un moyen d'extraire l'élément de la matrice CKM $V_{cb}$. Par ailleurs, et pour la première fois en QCD sur réseau, nous avons déterminé les rapports $F_0(q^2)/F_+(q^2)$ et $F_T(q^2)/F_+(q^2)$ dans la région proche du recul nul: ces contributions sont en effet nécessaires afin de discuter ce canal de désintégration dans certains modèles au-delà du Modèle Standard. Enfin, une étude préliminaire du canal de désintégration $B\to D^{**}$ a été abordée où nous avons trouvé une valeur non nulle de l'élément de matrice décrivant la désintégration $B\to D_0^*$ à recul nul contrairement de ce qui est connu à la limite des quarks lourds. Dans le cas du $B \to D_2^*$, nos résultats ont montré un signal indiquant une différence par rapport aux prédictions de masse infinie. Ces calculs sont indispensables afin de tirer une conclusion plus solide concernant le ``puzzle 1/2 vs 3/2''. / Semileptonic decays of $B$ mesons provide a rich source of knowledge for determining fundamental parameters of the Standard Model. This work reports mainly on the study of two semileptonic decay channels: the $B_s \to D_s \ell\bar\nu_\ell$ and $B\to D^{**} \ell\bar\nu_\ell$ (where the $D^{**}$ are the first orbitally excited states of the $D$ mesons having a positive parity). The theoretical framework is Lattice QCD which is considered as the only satisfying approach which calculates in a non perturbative way the transition amplitudes from first principles. By using the twisted mass QCD on the lattice with $N_f = 2$ dynamical flavors we studied, first, the spectroscopy of the scalar $D_0^*$ and the tensor $D_2^*$ states. Then, we determined the normalization $G_s(1)$ of the form factor dominating $B_s \to D_s \ell \bar\nu_\ell$ in the Standard Model which provides a means of extracting the CKM matrix element $V_{cb}$. Next, we make the first lattice determination of $F_0(q^2)/F_+(q^2)$ and $F_T(q^2)/F_+(q^2)$ near the zero recoil. The obtained results are important for the discussion of this decay in various scenarios of physics beyond the Standard Model. Finally, we did a preliminary study of $B\to D^{**}$ where we have obtained a non vanishing matrix element corresponding to the decay of $B$ into the $D_0^*$ at zero recoil contrary to what was known in the heavy quark limit. Moreover, the computations corresponding to $B\to D_2^*$ show a signal indicating a difference with respect to the infinite mass limit prediction. These results are important to draw a firm conclusion on the ``1/2 vs 3/2 puzzle''.

L'interférence entre la désintégration du méson $\Bs$ vers un état final propre de CP, directement ou via le mélange $\Bs-\Bsb$, donne lieu à une phase violant CP mesurable $\phi_s$, dont la valeur dans le Modèle Standard est $\phi_s^{MS} = (-0.0370\pm 0.0006)~\mathrm{rad}$. Cependant, des contributions de Nouvelle Physique peuvent intervenir dans ce processus et modifier la valeur de $\phi_s$. À l'heure actuelle, la mesure la plus précise de $\phi_s$ est donnée par l'expérience LHCb et la valeur moyenne mondiale est $\phi_s^{\rm{exp}} = (-0.021 \pm 0.032)~\mathrm{rad}$, dominée par l'incertitude statistique.Dans ce contexte, l'étude de la désintégration $\Bs \to \etac \phi$ est effectuée en utilisant les données de collisions $pp$ correspondant à une luminosité intégrée de~3.0\invfb, collectées avec le détecteur LHCb avec le Run~1 du LHC. La première observation de la désintégration $\Bs \to \etac \phi$ est obtenue, avec le méson \etac reconstruit dans les quatres modes de désintégration $p\bar p$, $ K^+ K^- \pi^+ \pi^-$ , $\pi^+\pi^-\pi^+\pi^-$ et $K^+K^-K^+K^-$ et $\phi(1020)$ reconstruit dans le mode $K^+K^-$. La désintégration $ \Bs \to \jpsi \phi $ est utilisée comme canal de normalisation.Le rapport de branchement mesuré est $\mathcal B (B^{0}_{s} \to \eta_{c} \phi) = \left(5.01 \pm 0.53 \pm 0.27 \pm 0.63 \right) \times 10^{-4}$, où la première incertitude est statistique, la seconde est systématique et la troisième incertitude est due à la connaissance limitée des rapports d'embranchement externes. / The interference between $\Bs$ meson decay amplitudes to CP final state directly or via mixing gives rise to a measurable CP-violating phase $\phi_s$, which is predicted to be $\phi_s^{SM} = (-0.0370\pm0.0006)~\mathrm{rad}$ in the Standard Model. However, such process may receive contributions from New Physics and change the value of $\phi_s$. At present, the most precise measurement of $\phi_s$ is given by the LHCb experiment and the world average is $\phi_s^{\rm{exp}} = (-0.021\pm 0.032)~\mathrm{rad}$, with uncertainty still dominated by the statistics.In this context, a study of $\Bs \to \etac \phi$ decays is performed using $pp$ collision data corresponding to an integrated luminosity of~3.0\invfb, collected with the LHCb detector during the Run~1 of the LHC. The observation of the decay $\Bs \to \etac \phi$ is reported, where the \etac meson is reconstructed in the $p\bar p$, $K^+K^-\pi^+\pi^-$, $\pi^+\pi^-\pi^+\pi^-$ and $K^+K^-K^+K^-$ decay modes and the $\phi(1020)$ in the $K^+ K^-$ decay mode. The decay $\Bs \to \jpsi \phi$ is used as a normalisation channel.The measured branching fraction is $\mathcal B (B^{0}_{s} \to \eta_{c} \phi) = \left(5.01 \pm 0.53 \pm 0.27 \pm 0.63 \right) \times 10^{-4}$, where the first uncertainty is statistical, the second systematic and the third uncertainty is due to the limited knowledge of the external branching fractions.

Les désintégrations rares B0(s)→ll sont générées par des courants neutres avec changement de la saveur. Pour cette raison, ainsi qu'à cause de la suppression d'hélicité, leurs taux de désintégration sont très petits dans le Modèle Standard (MS), mais la présence de particules virtuelles de Nouvelle Physique peut radicalement modifier cette prédiction. Une partie du travail original présenté dans cette thèse est dédié à l'optimisation de l'algorithme d'Analyse Multi Varié (MVA) pour la recherche de la désintégration B0(s)→μμ avec l'échantillon collecté par l'expérience LHCb. Cet échantillon a été combiné avec celui collecté par l'expérience CMS et pour la première fois la désintégration B0(s)→μμ a été observée. En vue d'améliorer la sensibilité au mode B0(s)→μμ de nouvelles études ont également été menées pour augmenter la performance des analyses multivariées. Une autre partie du travail original présenté dans cette thèse concerne la définition d'une chaine de sélection pour la recherche des désintégrations B0(s)→τ τ dans l'état final où les deux τ vont en trois π chargées et un τ est étudié. La présence des deux ν dans l'état final de la désintégration rend difficile une reconstruction des impulsions des deux τ. Cependant, la possibilité de mesurer les deux vertex de désintégration des τ ainsi que le vertex d'origine du candidat B, permet d'imposer des contraintes géométriques qui peuvent être utilisées dans la reconstruction des impulsions des deux τ. En particulier, un nouvel algorithme pour la reconstruction complété, événement par événement, de ces impulsions et de leurs variables associées est présenté et discuté. / The B0(s)→ll decays are generated by Flavor Changing Neutral Currents, hence they can proceed only through loop processes. For this reason, and because of an additional helicity suppression, their branching ratios are predicted to be very small in the Standard Model (SM). A part of the original work presented in this thesis has been devoted to the optimization of the Multi Variate Analysis classifier for the search of the B0(s)→μμ with the full dataset collected at LHCb. This dataset has also been combined with the one collected from CMS to obtain the first observation of B0(s)→μμ has been obtained. In view of the update of the analysis aiming to improve the sensitivity for the B0(s)→μμ mode, a new isolation variable, exploiting a topological vertexing algorithm, has been developed and additional studies for a further optimization of the MVA classifier performances have been done. The presence of two ν in the final state of the decay makes the reconstruction of the τ momenta of the two τ. Nevertheless the possibility of measuring the two decay vertexes of the τ, as well as the B candidate production vertex, allows to impose geometrical constraints that can be used in the reconstruction of the τ momenta. In particular, a new algorithm for the full reconstruction of each event of these momenta and of related variables has been presented and discussed.

Cette thèse est dédiée à l’étude des désintégrations B0 s → φγ au LHCb afin de mesurer la polarisation du photon . Au niveau des quarks, ces désintégrations procèdent via une transition pingouin b→ sγ et sont sensibles aux éventuelles contributions virtuelles de Nouvelle Physique. La mesure de la polarisation du photon permet de tester la structure V – A du couplage du Modèle Standard dans les processus des diagrammes de boucles de pingouin. Cette mesure peut être réalisée en étudiant le taux de désintégration dépendant du temps des mésons B. Une analyse délicate a été faite pour comprendre la distribution du temps propre et l’acceptance de sélection qui affecte cette distribution. Afin de contrôler l’acceptance de temps propre, des méthodes basées sur les données ont été développées. Plusieurs stratégies utilisées dans la mesure de la polarisation des photons sont introduites et des résultats préliminaires sont présentés. De plus, une étude de certains effets systématiques est discutée. Dans le cadre de l’étude des désintégrations radiatives, une nouvelle procédure d’identification de photons a été développée et nous avons fourni un outil pour calibrer la performance de la variable de séparation photon/pion neutre sur la simulation. Ces outils sont d’intérêt général pour la collaboration LHCb et sont largement utilisés. / This thesis is dedicated to the study of the photon polarization in B0 s → φγ decays at LHCb. At the quark level, such decays proceed via a b→ sγ penguin transition and are sensitive to possible virtual contributions from New Physics. The measurement of the photon polarization stands also as a test of the V – A structure of the Standard Model coupling in the processes mediated by loop penguin diagrams. The measurement of the photon polarization can be done through a study of the time-dependent decay rate of the B meson. A delicate treatment has been done to understand the proper time distribution and the selection acceptance affecting it. To control the proper time acceptance, data driven control methods have been developed. Several possible strategies to measure the photon polarization are introduced and preliminary blinded results are presented. A study of some of the systematic effects is discussed. In the context of studying radiative decays, the author has developed a new photon identification procedure and has provided a tool to calibrate the performance of the photon/neutral pion separation variable on simulation. Those tools are of general interest for the LHCb collaboration and are widely used.