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

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse est dédiée à l’étude de la violation CP dans les processus ūd→tb̄ e⁻ μ⁻ et W⁻→ l-1 l-2 (q′¯ q)⁺. Il y a des expériences qui cherchent à identifier ces processus au grand collisionneur de hadrons, ou LHC (Large Hadron Collider). Une conséquence de l’observation de ces désintégrations impliquait une brisure de la conservation du nombre leptonique, car ∆L = 2. Si le neutrino est de type Majorana, il est sa propre antiparticule et on peut observer la double désintégration bêta sans émission de neutrino (0νββ). Ce processus est caractérisé par ∆L = 2. Si nous observons des processus similaires à 0νββ, ∆L = 2, au LHC, il y a aussi la possibilité de chercher la violation CP. La mesure de ce type de violation CP nous donnerait des informations sur de la Nouvelle Physique (NP) qui ne pourraient pas être facilement obtenues autrement. Il existe trois types de violation CP : directe, indirecte et cinématique (produit triple). Ce travail relève essentiellement mes études sur deux processus de violation CP, l’un direct et l’autre produit triple. Elles sont présentées dans deux articles qui sont inclus dans cette thèse. Le premier article est consacré au produit triple dans le processus : ūd→tb̄ e⁻ μ⁻ . Le modèle que nous avons considéré n’implique pas de neutrino de Majorana. À l’aide de MadGraph, nous avons étudié la violation CP pour les deux processus mentionnés pour deux versions du LHC, haute luminosité HL-LHC (14 TeV) et haute énergie HE-LHC (27 TeV),et pour un futur collisionneur FCC-hh (100 TeV). Nous trouvons que le produit triple n’est pas mesurable au HL-LHC, peut être mesurable au HE-LHC, et est certainement mesurable au FCC-hh. Dans le deuxième article, nous avons examiné comment générer la violation CP avec des neutrinos droitiers. Le deuxième article porte sur l’étude de la violation CP directe dans la désintégration W⁻→ l-1 l-2 (q′¯ q)⁺ en impliquant deux neutrinos N1 et N 2. Nous avons trouvé que la valeur de l’asymétrie CP peut être mesurée avec une précision de 3σ et que 0.1% ≤ ACP ≤ 10%. / This thesis is dedicated to the study of CP violation in these processes ūd→tb̄ e⁻ μ⁻ et W⁻→ l-1 l-2 (q′¯ q)⁺. There are experiments which search to identify these processes at the "Large Hadron Collider" (LHC). The outcome of the observation of these decays would imply violation of lepton number conservation, ∆L = 2. If the neutrino is a Majorana particle, it is its own antiparticle and we can observe processes that violate the conservation of the lepton number, ∆L = 2. The neutrinoless double beta decay (0νββ), is a process which is characterized by ∆L = 2, occurs when the neutrinos are Majorana particles. If we observe 0νββ-like processes at the LHC, there is also the possibility of looking for CP violation. Measuring this type of CP violation would give us information about New Physics that could not be easily obtained using other methods. There are three types of CP violation, namely: direct, indirect and kinematic (triple product). This research presents studies concerning direct and triple product CP violation. The first paper is devoted to triple products in the process: ūd→tb̄ e⁻ μ⁻. In addition, the model considered does not involve a Majorana neutrino. Using MadGraph, we have numerically studied and evaluated the CP violation for the two mentioned processes for three types of accelerators: high luminosity HL-LHC (14 TeV), high energy HE-LHC (27 TeV) and for a future FCC-hh collider (100 TeV). We found that the triple product is not measurable at the HL-LHC, may be measurable at HE-LHC, and is certainly measurable at FCC-hh. In the second article, we investigated to see how to generate CP violation with right-handed neutrinos. The second article is on the study of direct CP violation the decay W⁻→ l-1 l-2 (q′¯ q)⁺ by involving two neutrinos N1and N2. It is also observed that the value of CP asymmetry can be measured with an accuracy of 3σ and as 0.1% ≤ ACP ≤ 10%.

LHCB est une expérience dédiée à l'étude de la violation CP dans le domaine des mésons B et de leur désintégration rares. Lors du démarrage du LHC, une des premières actions sera de vérifier que l'appareillage a les performances attendues. Cette thèse se place dan sle contexte des premières mesures de l'expérience LHCb pour deux sujets traités : la reconstruction des photons par le calorimètre électromagnétique dans différentes configurations expérimentales et la calibration du calorimètre électromagnétique. Dans ce but une identification des photons `partir de l'ensemble des informations du SPD, PS, ECAL et HCAL est dévellopée basée sur un méthode discriminante de Fisher. Ces photons reconstruits sont utilisés dans la reconstruction des Pi0 dont les spectres mesureront dès le début des prises de données le niveau de calibration du calorimètre. Pour calibrer chaque cellule du calorimètre électromagnétique la contrainte sur la masse des Pi0 reconstruits est utilisée. Une calibration à 1% est possible pour une dé-calibration allant jusqu'à 30% en une dizaine d'heures de prise de données à la luminosité nominale. Deux canaux de physique, ou la calibration du calorimètre et la reconstruction des mésons neutres se désintégrant en paire de photons sont les points clefs sont étudiés. Le canal Bd->J/PsiPi0 mesure de l'angle Beta du triangle CKM, les graphes qui y contribuent peuvent être sensible à de la physique au delà du Modèle Standard. Le canal Bs->J/PSiEta mesure l'angle Chi, domaine spécifique de LHCb. La sensibilité pour a mesure des ces deux angles est estimée.

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).

la physique des particules s'appuie sur une théorie dont les prédictions sont mesurables dans les grands collisionneurs. Les résultats obtenus confortent cette theorie electrofaible de basse énergie mais aucune déviation aujourd'hui n'annonce de la nouvelle physique. Ce qui devient étonnant, c'est qu'aucun des résultats ne confortent les observations venant de l'Univers. Que ce soit pour expliquer la baryogénèse primordiale ou la matière et l'énergie noire, responsable de l'acceleration de l'expansion de l'Univers. Dans cette habilitation, j'ai retracé quelques résultats électrofaibles du LEP (Higgs et boson W) ainsi que des mesures de violation CP. Je les compare aux attentes cosmologiques en terme de baryogénése primordiale et de quantité d'énergie noire et je montre que le modèle Standard actuel ne peut repondre a ces questions. Je finis par une analyse des approches théoriques et expérimentales pour répondre à ce grand problème actuel.

Un point crucial pour l'avenir de la Physique de Particules est représenté par la mesure de la masse et des paramètres qui gouvernent l'oscillation du neutrino, qui représentent la preuve de Physique au-delà du Model Standard. Depuis 2011, la valeur élevée de l'angle de mélange θ13 a ouvert la voie à l'étude sur la violation de symétrie CP dans le secteur de neutrinos. La nouvelle d'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) a un potentiel sans précédent pour effectuer une mesure très précise des paramètres d'oscillation de neutrinos. Les grands détecteurs souterrains nécessaires pour ces mesures sont également un milieu idéal pour la recherche sur la désintégration du proton et sur la détection de neutrinos provenant des supernovæ.Les détecteurs utilisés pour ces expériences sont des Chambres à Projection Temporelle (TPC) dont la cible, très massive, est constituée d'Argon liquide. Ce type de détecteur fournit une très bonne résolution de l'image reconstruite, une excellente résolution en énergie et la possibilité d'identifier les particules. Les interactions de neutrino produisent des particules secondaires qui ionisent l'Argon liquide. Les électrons produits par ionisation dérivent sur de longues distances, sous l'effet d'un champ électrique uniforme, jusqu'à rejoindre l‘anode, équipé pour la détection de la charge. Un signal électrique est alors produit et est utilisé pour la reconstruction 3D de l'interaction primaire. La TPC en double phase liquide-gaz permet l'amplification du signal d'ionisation par des avalanches qui se produisent dans la phase gazeuse, au-dessus du niveau de l'Argon liquide. Cette technique améliore les performances de TPC en augmentant son rapport signal-bruit.Le sujet de cette thèse est la reconstruction et l'analyse de la charge de ionisation dans une TPC à Argon liquide : la mesure de la charge déposée par ionisation fournit des informations sur l'énergie cinétique des particules chargées secondaires produites lors de l'interaction de neutrino. De cette manière, il est possible de reconstruire l'énergie du neutrino entrant, de reconnaître et d'exclure les gerbes électromagnétiques produites par la désintégration du π0, puis d'effectuer l'indentification des particules à partir de la mesure des pertes d'énergie par ionisation.La mesure de l'ionisation implique une connaissance approfondie de la réponse du détecteur et de l'algorithme de reconstruction. Afin d'atteindre cette connaissance nous avons effectué une analyse détaillée des pertes d'énergie simulée en étudiant les divergences entre les connaissances théoriques et la simulation. Ensuite, la simulation de la réponse du détecteur a été étudiée, en examinant les effets qui se produisent au cours de la dérive des charges et les effets liés à la réponse de l'instrumentation électronique. Ces effets systématiques qui affectent l'exactitude de l'algorithme de reconstruction sont alors caractérisés par rapport à la génération de Monte-Carlo.Par la suite, nous montrons comment il est possible d'effectuer la rejection du π0 en étudiant les pertes d'énergie. En mesurant les pertes par ionisation au début d'une gerbe électromagnétique, il est possible de comprendre si elle a été produite par un électron ou par un photon. Cela permet d'exclure le bruit dans la détection des produits d'interaction du neutrino électronique fondamental pour la recherche de la violation de CP.Par l'échantillonnage de la trajectoire d'une particule chargée et en mesurant ses pertes d'énergie, il est possible d'identifier sa nature. Une TPC à Argon liquide est également un milieu idéal pour la recherche de la désintégration du proton, en particulier en regardant certaines chaînes de désintégration exclusives, comme p  K + ν. Dans cette thèse, nous montrons ainsi comment il est possible d'identifier des particules à partir de la mesure des pertes d'énergie, et plus abordons plus précisément l'identification des kaons chargés / This is an important period for High Energy Physics: many recent results, including the Higgs discovery and its characterization, confirm the Standard Model. A crucial point for the future of Particle Physics is the study of neutrino masses and mixing representing the first established evidence of physics beyond the SM. Since 2011, the large value of the ?13 mixing angle opened the way to the investigation of CP violation in the neutrino sector. A next generation long baseline neutrino experiment (DUNE) has unprecedented potential to precisely measure the neutrino oscillation parameters, determine the neutrino mass hierarchy and has a very good chance to discover evidence for CP violation in the leptonic sector. The large underground neutrino detectors needed for this task will also address the search for proton decay and the observation of supernovae neutrinos. Giant Liquid Argon Time Projection Chambers (LAr TPCs) will be employed as neutrino targets and detectors. They provide bubble-chamber quality imaging coupled to excellent energy resolution and particles identification capabilities. Neutrino interactions produce secondary particles, which ionize the liquid argon. The ionization electrons drift for long distances along a uniform electric field until they reach finely segmented and instrumented anodes, producing electrical signals that are used for 3D imaging and analysis of the primary interactions. The dual-phase readout technique foresees the amplification of the ionization signal in avalanches occurring in the gas phase above the liquid argon level. This technique further enhances the performance of the LAr TPC by increasing its signal to noise ratio. The subject of thesis is the ionization charge reconstruction and analysis in the dual-phase LAr TPC: the ionization charges measurement provides information about the kinetic energy of secondary charged particles produced in neutrino interactions. In this way, it is possible to reconstruct the incoming neutrino energy, identify and reject electromagnetic shower generated by photons from pi0 decay and perform particles identification from the measurement of the specific ionization losses.The measurement of the ionization implies a detailed knowledge of the detector response and of the reconstruction algorithm. In order to achieve this knowledge a detailed analysis of the simulated energy losses has been performed by studying the differences between the theoretical knowledge and the simulation

Pourquoi reste-t-il de la matière dans l’univers ?Depuis la découverte de l’anti-matière, miroir de la matière dont nous sommes constitués et s’annihilant de prime abord parfaitement avec cette dernière, ce mystère stimule l’étude des propriétés communes et distinctes entre particules et anti-particules.<p><p>Dans ce cadre, il a été établi au vu des interactions dites de jauge (en particulier les interactions électrofaibles) que la symétrie intrinsèque entre particules et anti-particules est la combinaison subtile du conjugué de charge (C) et de la parité d’espace (P) :la symétrie CP. Ainsi, un comportement distinct entre matière et anti-matière est caractérisé au niveau fondamental par une violation de CP.<p>D’une part, une telle violation a été mise en évidence expérimentalement dans la désintégration de mesons K et B, où la production de particules dans certains canaux est favorisée. D’autre part, la violation de CP est l’une des conditions requises à la création d’un excès de matière durant l’évolution de l’univers. <p><p>Dans la présente thèse, nous étudions deux aspects de cette asymétrie entre matière et anti-matière.<p>Tout d’abord, un scénario de création d’un excès de matière dans l’évolution de l’univers basé sur la désintégration de neutrinos lourds est étudié. Les récents résultats expérimentaux sur l’existence d’une masse pour les neutrinos rendent très attractif ce scénario. Bien que le schéma général repose uniquement sur les interactions liées à la masse des particules (secteur scalaire), nous le prolongeons ici dans la perspective plus naturelle de l’unification des interactions de jauge, seule motivation complète à l’inclusion de neutrinos lourds dans le spectre des particules. L’inclusion d’interactions de jauge liées aux neutrinos lourds complète ainsi la description. Les résultats tirés sur les paramètres de masse des neutrinos, grandes inconnues de la physique des particules, s’en voient modifiés de manière importante.<p><p>Ensuite, la question de l’origine de la violation de CP est posée. En effet, dans la description standard des interactions faibles, la violation de CP est explicite et résulte uniquement de la liberté pour les couplages de masse (couplages de Yukawa) d’être des nombres complexes. Ainsi, aucune compréhension fondamentale sur la différence de comportement entre particules et anti-particules n’est apportée.<p>Nous proposons dans ce sens une source de violation de CP par la compactification d’une théorie de jauge dans un espace de dimensions étendues. A partir de couplages réels, une valeur classique de la composante supplémentaire des bosons de jauge fournit une masse effective complexe aux fermions. Les conditions de l’obtention d’une violation de CP physique sont alors étudiées. Nous identifions la structure minimale pour rendre compte des interactions électrofaibles tout en incluant une source de violation de CP dans ce contexte. L’unification avec les interactions fortes est alors établie dans une structure qui apporte une lumière différente sur les schémas d’unification usuels.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans le Modèle Standard de la physique des particules, le mécanisme Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) décrit le phénomène du mélange des quarks. De ses paramètres, l'angle gamma est celui connu avec la moins grande précision. Les mesures directes donnent une incertitude d'environ 15º, importante comparée à celle sur la valeur extraite des ajustements globaux, de 3º. Pour vérifier la cohérence du Modèle Standard, gamma doit être mesuré précisément. Cela est possible en utilisant des processus au niveau des arbres, où seules des contributions du Modèle Standard sont attendues, ou avec des processus impliquant des boucles, qui peuvent être sensibles à des effets au-delà. Des différences entre la mesure de gamma avec des diagrammes en arbres et avec des boucles pourraient être donc une indication de nouvelle physique. Cette thèse présente la première mesure des observables CP dans la désintégration B0 -> DK*0. Celle-ci est sensible à gamma du fait de l'interférence entre l'amplitude des diagrammes b -> u et b -> c, au niveau des arbres. L'asymétrie CP dans le mode B0 -> D(K+K-)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 1 /fb de données récoltées par l'expérience LHCb en 2011,A_KK_d = -0,452 +/- 0,230 +/- 0,025 = A_CP+,R_KK_d = 1,360 +/- 0,366 +/- 0,075 = R_CP+. L'asymétrie CP du mode supprimé B0 -> D(K-pi+)K*0 et le rapport des largeurs partielles avec le favorisé B0 -> D(K+pi-)K*0 sont mesurés avec 3 /fb de données récoltées en 2011 et 2012,A_sup_d = -0,094 +/- 0,318 = A_ADS,R_d = 0,075 +/- 0,023 = R_ADS. Les études réalisées sur le système de déclenchement hadronique de l'expérience LHCb sont aussi présentées.

Ce mémoire présente l’application de la méthode de décomposition en termes de diagrammes aux désintégrations de mésons B vers trois mésons de type pseudos- calaire ne comportant pas de quarks charmés. La décomposition diagrammatique des désintégrations de types B → Kππ, B → KKK ̄, B → KK ̄π et B → πππ est effectuée de façon systématique. Il est démontré que lorsque l’on néglige les dia- grammes d’échanges et d’annihilations, dont les contributions sont estimées être petites, de nouvelles relations apparaissent entre les amplitudes. Ces relations sont de nouveaux tests du modèle standard qui ne peuvent être obtenus que par la méthode diagrammatique. Lorsque les données nécessaires sont disponibles, nous vérifions ces relations et obtenons un bon accord avec les données expérimentales. Nous démontrons également qu’il est possible d’utiliser le secteur B → Kππ pour mesurer la phase faible γ avec une incertitude théorique que nous estimons être de l’ordre de 5%. Les autres secteurs de désintégrations ne permettent d’extraire des phases faibles que si l’on invoque des approximations de précisions inconnues. / This Master’s thesis presents the application of the method of decomposition in terms of diagrams to the charmless decays of B mesons to three pseudoscalar particles. We systematically apply the diagrammatic method to the decays B → Kππ, B → KKK ̄, B → KK ̄π and B → πππ. It is shown that when we neglect exchange and annihilation diagrams, whose contributions have been estimated to be small, new relations appear between the decay amplitudes. These relations constitute new tests of the standard model that can only be obtained through the diagrammatic method. When the necessary data is available, we verify these relations and obtain a good agreement with the experimental results. We also show that it is possible use observables in the B → Kππ sector to measure the weak phase γ with a theoretical uncertainty of the order of 5%. Other decay sectors can only allow the extraction of weak phases through the use of approximations of unknown precision.