Cette thèse a été effectué sur l'expérience LHCb, située sur le collisionneur proton-proton LHC au CERN. Sa première partie porte sur l'alignement en temps des calorimètres. Nous décrivons une méthode basée sur une asymétrie permettant d'assurer l'alignement en temps des calorimètres électromagnétique (ECAL) et hadronique (HCAL). Nous montrons qu'avec des faisceaux de 450 GeV, et en l'absence du champ magnétique, il faut 55 000 événements minimum bias pour aligner en temps 84$\%$ des cellules du ECAL et 96 $\%$ des cellules du HCAL avec une précision de 0.5 ns. Lors de la mise en service des sous-détecteurs, nous avons analysé plus d'un million d'événements cosmiques, et vérifié que l'alignement interne est meilleur que 1 ns dans le ECAL et le HCAL. D'autre part nous avons aligné en temps le ECAL et le HCAL et obtenu une précision de l'ordre de 2 ns. Grâce aux gerbes hadroniques produites par le faisceau du LHC le 10 septembre 2008, nous avons montré que l'alignement global du HCAL avec l'horloge du LHC est de l'ordre de 0.8 ns.\\ La seconde partie de cette thèse porte sur la reconstruction des canaux $B_{d}\rightarrow D^{-}\rho(770)^{+}$, $B_{s}\rightarrow D_{s}^{-}\rho(770)^{+}$ et $B_{s}\rightarrow D_{s}^{-}K^{*+}(892)$. Une mé\-thode multivariable a été utilisée pour sélectionner les événements de signal et minimiser le bruit de fond $b\bar{b}$. Avec une année nominale de prise de données à LHCb, on attend 450 000 événements $B_{d}\rightarrow D^{-}\rho(770)^{+}$ , 71 000 événements $B_{s}\rightarrow D_{s}^{-}\rho(770)^{+}$ et 1300 événements $B_{s}\rightarrow D_{s}^{-}K^{*+}(8 92)$ avec des rapports signal sur bruit variant entre 1.6 et 6.

Les désintégrations de quark $b$ rares interviennent principalement via des courant neutres changeant la saveur, (Flavor Changing Neutral Current, FCNC en anglais). Le modèle Standard n'autorise les courants qu'au niveau des boucles. Ces processus FCNC sont sujets \`a une suppression de GIM conduisant à des processus rares. Par conséquent les désintégration $b to s$ sont de très bon outils pour la recherche de phénomène de Nouvelle Physique au delà du Modèle Standard. Cette thèse présente l'analyse angulaire de la désintégration $B^0\to K^{*0}\mu^+\mu^-$ avec l'ensemble des données collecté par l'expérience lhcb durant le run I du lhc. La complète série des observable angulaires a été mesuré via un ajustement d'une fonction de vraisemblance, gr$\hat{\rm a}$ce à une sélection amélioré et les 3 fb$^{-1}$ de donné collecté en 2011 et 2012 par lhcb. Par ailleurs, l'analyse du rapport $R_{K^*}$ est également présenté et les résultats sont attendu pour la fin de l'année 2015. / Rare beauty decays proceed mostly through the $b\to s$ Flavor Changing Neutral Current, which is possible only at loop level in the Standard Model. These FCNC processes are subject to GIM suppression leading to a rare decay. Therefore the $b\to s$ processes are good tools to look for New Physics phenomenon beyond the Standard Model. New Physics particle could become detectable by causing deviation from the Standard Model predictions for observables such as angular observables, branching ratio or CP asymmetries. This thesis present the angular analysis of the $B^0\to K^{*0}\mu^+\mu^-$ decay with the whole dataset collected by lhcb during the first run of the lhc. The full set of the angular observables has been measured through a maximum likelihood fit, thanks to an improved selection and the 3 fb$^{-1}$ of data collected in 2011 and 2012 by lhcb. In addition, the analysis on the measurement of the ratio $R_{K^*}$ has also been presented and the results are expected by the end of 2015.

Ce document de thèse présente un travail à la fois instrumental et de prospective pour la Physique dans le cadre de l'expérience LHCb, sise auprès de la machine LHC, au Cern, dont la mise en service est prévue au printemps 2008. Collisionneur proton-proton délivrant une énergie dans le centre de masse de 14 TeV, le LHC produira nominalement dans l'expérience LHCb 1012 paires de particules belles par an. Après les succès expérimentaux remarquables enregistrés par les usines à mésons B BaBar (SLAC) et Belle (KEK), le Modèle Standard (MS) de la Physique des Particules accommode correctement l'ensemble des données de la Physique des Saveurs et singulièrement le mécanisme CKM est établi comme la source dominante de violation de la symétrie CP dans les systèmes de particules contenant un quark beau ou un quark étrange. La très grande statistique dont disposera l'expérience LHCb devrait permettre à la fois la scrutation de modes rares particulièrement sensibles à des contributions de Nouvelle Physique et des mesures de précision pour une métrologie améliorée des paramètres pertinents du MS. Dans ce cadre, il sera possible de faire une exploration systématique des propriétés du méson $B{^0} _{s}$. Ce travail de thèse porte sur la faisabilité d'une mesure précise du temps de vie de la composante courte de cette particule par l'étude de sa désintégration $B{^0} _{s}\ to \ D ^{+}_{s} D^{-}_{s}$ dont l'état final est CP pair. Nous avons montré qu'une précision de 2% pouvait être atteinte après une année de prise de données à la luminosité nominale et contraignait significativement la différence de largeurs $ \Delta Gamma _ {s} /Gamma {s}$. L'autre volet de ce travail de thèse concerne la qualification des photodétecteurs qui équipent le détecteur de pieds de gerbe pour lequel l'équipe de Clermont a la responsabilité de l'entièreté de la chaîne de lecture. Le photodétecteur que nous avons retenu est un photomultiplicateur compact 64 anodes produit par la compagnie Hamamatsu. J'ai participé à la caractérisation systématique et à la certification des 100 tubes du détecteur au moyen d'un banc de test spécialement conçu à cette fin. Un élément crucial de ces études à été la mise en évidence d'une diaphonie entre canaux inacceptable au regard des spécifications de physique pour une fraction non négligeable de la production et la sélection finale du nombre de tubes nécessaires qui satisfaisaient tous les critères d'acceptation.

Ce travail de thèse porte sur l’identification des désintégrations sans charme de mésons beaux neutres en trois corps dont un π0 (B0 d,s → h+h′−π0) en analysant l’échantillon de données de 1.0 fb−1 collecté en 2011 par l’expérience LHCb au LHC. Ces modes sont sensibles aux paramètres de la matrice CKM et permettent de tester certaines prédictions du Modèle Standard liées à la violation de CP. Plusieurs d’entre eux, tels que B0 s → K−π+π0 et B0 s → K+K−π0, n’ont pas été observés précédemment. Il s’agit de la première analyse avec des π0 énergétiques dans LHCb. Pour évaluer les performances du détecteur relatives au π0, des désintégrations D∗+ → D0(→ K−π+π0)π+ ont été sélectionnées. Un échantillon de pions neutres relativement pur et de grande statistique a ainsi pu être extrait. Il est utilisé pour étudier leur étalonnage en énergie ainsi que l’efficacité de l’outil de séparation π0/γ de l’expérience. Les désintégrations radiatives constituent en effet le bruit de fond le plus dangereux pour l’étude des modes B0 d,s → h+h′−π0. Pour sélectionner les événements B0 d,s → h+h′−π0, un algorithme dédié a été mis en place au niveau du système de déclenchement. Il complète les sélections en ligne standards et permet d’augmenter significativement l’efficacité. Sur les événements enregistrés, les bruits de fond évidents, issus principalement de désintégrations de mésons charmés, sont rejetés en appliquant des critères simples. L’échantillon est alors purifié davantage en utilisant une analyse multivariée. Enfin, les informations des détecteurs Cherenkov permettent de séparer les états finals π+π−π0, K±π∓π0 et K+K−π0. Un ajustement simultané des spectres de masse reconstruite du méson beau dans les trois sous-échantillons est utilisé pour extraire les nombres d’événements de signal. Il tient compte des différents bruits de fond restants ainsi que des migrations du signal d’un sous-échantillon à l’autre. Les contributions des modes B0 → π+π−π0, B0 → K+π−π0 et B0 s → K+K−π0 sont clairement établies. Il s’agit de la première observation du mode de désintégration B0 s → K+K−π0. / This thesis work is about the identification of charmless three-body decays of neutral B mesons with a π0 in the final state (B0d,s → h+h′−π0) through the analysis of a 1.0 fb−1 data sample collected in 2011 by the LHCb experiment at the LHC. Those modes are sensitive to CKM parameters and allow to test Standard Model predictions related to CP violation. Some of them, such as B0 s → K−π+π0 and B0 s → K+K−π0, have not been observed previously. This is the first analysis with energetic π0 in LHCb. To evaluate the detector performance for π0, D∗+ → D0(→ K−π+π0)π+ decays have been selected. This provides a clean and high statistics sample of neutral pions used to study their energy calibration as well as the effectiveness of the π0/γ separation tool of the experiment. Radiative decays are indeed the most dangerous backgrounds for the study of B0 d,s → h+h′−π0 modes. To select B0 d,s → h+h′−π0 events, a dedicated trigger algorithm has been implemented. It complements the standard online selections and significantly improves the efficiency. Offline, obvious backgrounds, mainly from charm decays, are rejected applying simple criteria. The sample is then further purified using a multivariate classifier. At last, information from the ring imaging Cherenkov detectors allows to separate π+π−π0, K±π∓π0 and K+K−π0 final states. A simultaneous fit of the reconstructed B mass spectra in the three subsamples is used to extract the signal yields. It accounts for the different backgrounds remaining as well as for the signal crossfeeds from one subsample to the other. The B0 → π+π−π0, B0 → K+π−π0 and B0 s → K+K−π0 contributions are clearly established. This is the first observation of the B0 s → K+K−π0 decay mode.

Ce travail de thèse porte sur l'identification des désintégrations sans charme de mésons beaux neutres en trois corps dont un $\pi^0$ ($B_{d,s}^0 \to h^+h'^-\pi^0$) en analysant l'échantillon de données de 1.0 fb$^{-1}$ collecté en 2011 par l'expérience LHCb au LHC. Ces modes sont sensibles aux paramètres de la matrice CKM et permettent de tester certaines prédictions du Modèle Standard liées à la violation de CP. Plusieurs d'entre eux, tels que $B_s^0 \to K^-\pi^+\pi^0$ et $B_s^0 \to K^+K^-\pi^0$, n'ont pas été observés précédemment. Il s'agit de la première analyse avec des $\pi^0$ énergétiques dans LHCb. Pour évaluer les performances du détecteur relatives au $\pi^0$, des désintégrations $D^{*+} \to D^0 ( \to K^- \pi^+ \pi^0 ) \pi^+$ ont été sélectionnées. Un échantillon de pions neutres relativement pur et de grande statistique a ainsi pu être extrait. Il est utilisé pour étudier leur étalonnage en énergie ainsi que l'efficacité de l'outil de séparation $\pi^0 / \gamma$ de l'expérience. Les désintégrations radiatives constituent en effet le bruit de fond le plus dangereux pour l'étude des modes $B_{d,s}^0 \to h^+h'^-\pi^0$. Pour sélectionner les événements $B_{d,s}^0 \to h^+h'^-\pi^0$, un algorithme dédié a été mis en place au niveau du système de déclenchement. Il complète les sélections en ligne standards et permet d'augmenter significativement l'efficacité. Sur les événements enregistrés, les bruits de fond évidents, issus principalement de désintégrations de mésons charmés, sont rejetés en appliquant des critères simples. L'échantillon est alors purifié davantage en utilisant une analyse multivariée. Enfin, les informations des détecteurs Cherenkov permettent de séparer les états finals $\pi^+\pi^-\pi^0$, $K^{\pm}\pi^{\mp}\pi^0$ et $K^+K^-\pi^0$. Un ajustement simultané des spectres de masse reconstruite du méson beau dans les trois sous-échantillons est utilisé pour extraire les nombres d'événements de signal. Il tient compte des différents bruits de fond restants ainsi que des migrations du signal d'un sous-échantillon à l'autre. Les contributions des modes $B^0 \to \pi^+\pi^-\pi^0$, $B^0 \to K^+\pi^-\pi^0$ et $B_s^0 \to K^+K^ \pi^0$ sont clairement établies. Il s'agit de la première observation du mode de désintégration $B_s^0 \to K^+K^-\pi^0$.

Ce travail de thèse porte sur l'identification des désintégrations sans charme de mésons beaux neutres en trois corps dont un π0 (B0 d,s → h+h′−π0) en analysant l'échantillon de données de 1.0 fb−1 collecté en 2011 par l'expérience LHCb au LHC. Ces modes sont sensibles aux paramètres de la matrice CKM et permettent de tester certaines prédictions du Modèle Standard liées à la violation de CP. Plusieurs d'entre eux, tels que B0 s → K−π+π0 et B0 s → K+K−π0, n'ont pas été observés précédemment. Il s'agit de la première analyse avec des π0 énergétiques dans LHCb. Pour évaluer les performances du détecteur relatives au π0, des désintégrations D∗+ → D0(→ K−π+π0)π+ ont été sélectionnées. Un échantillon de pions neutres relativement pur et de grande statistique a ainsi pu être extrait. Il est utilisé pour étudier leur étalonnage en énergie ainsi que l'efficacité de l'outil de séparation π0/γ de l'expérience. Les désintégrations radiatives constituent en effet le bruit de fond le plus dangereux pour l'étude des modes B0 d,s → h+h′−π0. Pour sélectionner les événements B0 d,s → h+h′−π0, un algorithme dédié a été mis en place au niveau du système de déclenchement. Il complète les sélections en ligne standards et permet d'augmenter significativement l'efficacité. Sur les événements enregistrés, les bruits de fond évidents, issus principalement de désintégrations de mésons charmés, sont rejetés en appliquant des critères simples. L'échantillon est alors purifié davantage en utilisant une analyse multivariée. Enfin, les informations des détecteurs Cherenkov permettent de séparer les états finals π+π−π0, K±π∓π0 et K+K−π0. Un ajustement simultané des spectres de masse reconstruite du méson beau dans les trois sous-échantillons est utilisé pour extraire les nombres d'événements de signal. Il tient compte des différents bruits de fond restants ainsi que des migrations du signal d'un sous-échantillon à l'autre. Les contributions des modes B0 → π+π−π0, B0 → K+π−π0 et B0 s → K+K−π0 sont clairement établies. Il s'agit de la première observation du mode de désintégration B0 s → K+K−π0.

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.

Les désintégrations rares $B^{0}_{s} \to \mu^+ \mu^-$ et $B^{0} \to \mu^+ \mu^-$ sont des canaux de référence pour contraindre les modèles au-delà du Modèle Standard avec secteur de Higgs étendu. Dans le Modèle Standard, le rapport d' embranchement de ces désintégrations est prédit avec une bonne précision: $\mathcal{B}(B^{0}_{(s)} \to \mu^+ \mu^-) = (3.2 \pm 0.2) \times 10^{-9}$ et $\mathcal{B}(B^{0} \to \mu^+ \mu^-) = (0.10 \pm 0.01) \times 10^{-10}$. Tout écart par rapport à ces valeurs peut donner des indications sur une nouvelle physique. Le cœur de cette thèse, basée sur l'analyse des données prises par l'experience LHCb en 2011, comporte deux thèmes principaux: le rejet du bruit de fond et l'extraction du signal. Nous avons optimisé un classificateur multivariée basé sur les arbres de décision boostés permettant une réduction drastique du bruit de fond de $B \to h^+ h'^-$ ($h \equiv \pi, K$). Après la sélection, environ 76$\%$ du bruit de fond combinatoire de $B^{0}_{s} \to \mu^+ \mu^-$ est éliminé, tout en conservant une efficacité sur le signal de l'ordre de 92$\%$. Une autre discrimination entre le signal et le fond est réalisé avec un autre classificateur multivarié optimisé pour avoir un grand rejet du bruit de fond dans la région de faible efficacité en signal. Le travail présenté dans cette thèse décrit l'optimisation d'un des arbres de décision boostés qui supprime 99.9$\%$ du bruit, après le processus de sélection ci-dessus, pour une efficacité de signal de 50$\%$. Nous avons proposé une méthode pour estimer les signaux présents dans notre échantillon de données en utilisant un ajustement de la fonction de vraisemblance. La validation de l'ajustement avec simulation reflète la bonne estimation des incertitudes statistiques et les incertitudes systématiques ont été soigneusement étudiés et prises en compte dans les résultats finaux pour l'échantillon de données de 2011: $\mathcal{B}(B^{0}_{s} \rightarrow \mu^+\mu^-) = (1.4 \left(^{+1.6}_{-1.1} \right)_{(stat)} \left(^{+0.5}_{-0.8} \right)_{(syst)} ) \times 10^{-9}$ et $\mathcal{B}(B^{0} \rightarrow \mu^+\mu^-) = (0.3 \left(^{+0.5}_{-0.4}\right)_{(stat)} \left(^{+0.5}_{-0.3}\right)_{(syst)}) \times 10^{-9}$. Etant donné l'absence de signal, les limites supérieures des rapports d'embranchement sont calculées: $\mathcal{B}(B^{0}_{(s)} \to \mu^+ \mu^-)<4,5 \times 10^{-9}$ et $\mathcal{B}(B^{0} \to \mu^ + \mu^-) <1,0 \times 10^{-10}$ á 95\% de niveau de confiance, qui sont les limites les plus restrictives jusqu'à ce jour.

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 $B_{s} \to K_SK\pi$.

Des progrès expérimentaux importants sont en cours dans l’étude des désintégrations rares de mésons contenant un quark beau et impliquant un quark étrange et une paire de leptons. Le travail présent mesure la portée indirecte de ces progrés sur des extensions supersymétriques du modèle standard. Même dans des modèles contraints, les limites indirectes ainsi obtenues peuvent dans certains cas être plus fortes que celles provenant de la recherche directe de particules supersymétriques. La précision gagnée par les facteurs de forme et les corrections d’ordre supérieur nouvellement implémentés dans le programme public ”SuperIso” montrent alors leur importance. / There are fast progresses in the experimental study of rare decay sof mesons containing a b-quark, and involving a pair of leptons and an s-quark. The present work measures the indirect implications of these progresses on the supersymmetric extensions of the Standard Model. Even within constrained models, the indirect limits obtained in this way can in some cases be stronger than those coming from direct searches of supersymmetric particles. The accuracy gained by the form factors and higher order corrections newly implemented in the public code ”SuperIso” are then fully relevant.