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''.

Le travail présenté dans ce document est dédié à l’étude des désintégrations faibles de deux baryons beaux, Λ0b (|udb>) et Ξ0b (|usb>), et utilise des échantillons de données enregistrés par l’expérience LHCb en 2011 et en 2012. La production abondante des baryons Λ0b et Ξ0b dans les collisions proton-proton ainsi que la grande probabilité pour un quark b d’hadroniser en un baryon beau au Large Hadron Collider (LHC), donne à l’expérience LHCb l’opportunité d’étudier les désintégrations multicorps sans charme de baryons beaux. Une part significative de cette étude est dédiée aux mesures des rapports d’embranchements des désintégrations sans charme à quatre corps des baryons Λ0b et Ξ0b . Dans le Modèle Standard, ces désintégrations procèdent simultanément via les transitions de quarks b→u (à l’arbre) et b→d,s (transitions à courant neutre de type pingouin). La différence de phase faible induite par cette interférence est a priori une opportunité de rechercher la violation CP dans ces désintégrations de baryons beaux. De plus, ces désintégrations sans charme à quatre corps contiennent des structures résonantes, simultanément dans la région non-baryonique de basse masse à deux corps (i.e. les masses invariantes de π+π- , K± π∓ , K+ K- ) ainsi que dans la region baryonique de basse masse (i.e. les masses invariantes de pK, pπ). Par conséquent, la différence de phases fortes induite par l’interférence de ces amplitudes peut augmenter l’effet d’une asymétrie CP . Des mesures d’asymétries CP (∆ACP ) dans les modes de désintégrations discutés plus haut sont présentées dans ce document. Certaines sont produites dans des régions de l’espace des phases afin de favoriser la présence de structures résonantes. Ainsi, sept désintégrations inclusives de Λ0b et Ξ0b sont simultanément étudiées: Λ0b→pπππ, Λ0b→pKππ, Λ0b→pKKπ , Λ0b → pKKK, Ξ0b→ pKππ, Ξ0b→pKπK et Ξ0b→ pKKK ainsi que des désintégrations spécifiques qui incluent plusieurs résonances intermédiaires comme, par exemple, Λ0b → pa1 , Λ0b→∆++ K- π- ou Λ0b → Λ∗ (1520)0 φ0 . Six modes de désintégrations sont observés, parmi lesquels quatre sont établis pour la première fois. Six mesures de rapports d’embranchements sont réalisées, et des limites à 90% et 95% degré de confiance sont placées sur le rapport d’embranchement du mode Ξ0b→ pKKK pour lequel seul un indice de son existence est obtenu. Pour les mesures de ∆ACP réalisées, aucun signe significatif de violation de CP n’est observé. / The work presented in this document is focused on the study of weak decays of two b-baryons, Λ0b (|udb>) and Ξ0b (|usb>) , by making use of data samples recorded by the LHCb experiment in 2011 and 2012. The abundant production of Λ0b and Ξ0b baryons in proton-proton collisions as well as the large probability of the hadronisation of the b quark into b-flavoured baryons at the Large Hadron Collider gives the LHCb experiment the opportunity to study multibody charmless decays of b-baryons. A significant part of the study is dedicated to the measurements of the branching fractions of Λ0b and Ξ0b in 4-body fully-charged charmless decays. They proceed in the Standard Model simultaneously through b → u transition or Flavour Changing Neutral Current (FCNC) penguin transition b → s,d. The weak-phase difference induced by this interference pattern is a priori a good opportunity to search for CP violation in these very same baryons decays. Furthermore, these charmless multibobdy decays of b baryons contain rich resonance structures, both in the low-mass two-body nonbaryonic resonances (i.e. the π+π- , K± π∓ , K+ K- invariant mass) and the low-mass baryonic resonances (i.e. the pK, pπ invariant mass). Consequently, CP asymmetries might receive significant enhancement from the strong-phase differences coming from the interference of these amplitudes. Measurements of ∆ACP in the decay modes of interest are presented in this document, including measurements in specific phase space regions (that are meant to favour resonance structures). Henceforth, seven inclusive decays of Λ0b and Ξ0b are simultaneously studied, namely Λ0b→pπππ, Λ0b→pKππ, Λ0b→pKKπ , Λ0b → pKKK, Ξ0b→ pKππ, Ξ0b→pKπK and Ξ0b→ pKKK as well as additional specific decays that include intermediate resonances, such as, for instance, Λ0b → pa1 , Λ0b→∆++ K- π- or Λ0b → Λ∗ (1520)0 φ0. Six decay modes are observed, among which four are established for the first time. Six branching fractions measurements are thus performed, and 90% and 95% confidence level intervals, based on the Feldman-Cousins confidence belt inference described are placed on the branching fraction for the Ξ0b → pKKK decay mode, for which only a hint of its existence is obtained. No significant CP -violation effect is observed in any of the ∆ACP measurement performed.

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.

Je présente 10 ans de travaux de recherche sur la physique du B et de la violation de CP, dans le cadre de l'expérience BaBar à SLAC et du groupe d'interprétation phénoménologique et statistique de ces mesures : CKMfitter. Je place ces travaux dans la perspective du potentiel de physique de l'expérience LHCb, au CERN. Depuis 1998, j'ai participé à la fin de la construction du détecteur BaBar, notamment de sa chambre à fils et de son système de gaz, à sa mise en route et à sa prise de données jusqu'au mode de croisière et à la fin de son fonctionnement en 2008. Je décris les activités de calibration et d'études des données que j'ai menées pour la reconstruction et la sélection des électrons et les neutres dans BaBar. Je présente les mesures que j'a effectuées sur la physique des modes B en charmonium, qui ont servi à observer pour la première fois la violation de CP dans les mésons B, par la mesure du paramètre sin(2beta). Dans le cadre du groupe des désintégrations des mésons B en modes charmés, je présente les mesures que j'ai effectuées sur les modes supprimés de couleur, pour comprendre la phénoménologie des désintégrations des B et pour mesurer l'angle CKM beta, dans 2 approches alternatives aux modes charmonium. Enfin je décris les mesures de l'angle CKM gamma, par recherche de violation directe de CP, dans les modes B- en D(*)K- et DK*-.

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''.

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 $\mathscr G_s(1)$ 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''

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.

Le travail présenté dans cette thèse concerne l’étude des désintégrations en trois corps sans quark charmé des mésons beaux neutres, dont l’état final contient un K0S. Ce travail de recherche s’est réalisé dans le cadre de l’expérience LHCb au LHC, en analysant un échantillon d’événements de 3 fb−1 collecté dans le Run I du LHC. L’analyse d’amplitude de la désintégration B0→K0Sπ+π− représente la partie principale de ce travail de thèse. La mesure des amplitudes est effectuée au moyen d’une étude du plan de Dalitz de la désintégration intégrée dans le temps sans étiquetage de la saveur de la particule belle. Nous avons mesuré les rapports d’embranchements relatives des désintégrations quasi-deux-corps à partir de cette analyse de Dalitz. Egalement, nous avons mesuré l’asymétrie CP directe des désintégrations quasi-deux-corps B0→K*+(892)π−, B0→K0*+(1430)π−, B0→K2*+(1430)π− et B0→f0(980)K0S. Nous avons observé pour la première fois l’asymétrie CP directe dans la désintégration B0→K*+(892)π− avec une signifiance supérieure à cinq déviations standard. Cette mesure est en accord avec la moyenne mondiale, avec une précision améliorée. / Studies of charmless three-body decays of the neutral B mesons with a K0S in the final state are presented in this thesis. The analyses are performed with the full statistics recorded by the LHCb spectrometer during the Run I of the LHC. The amplitude analysis of the decay B0→K0Sπ+π− represents the main part of this thesis analysis. A time-integrated untagged Dalitz-Plot analysis of the decay is performed. The fit fractions of the quasi-two-body decays are obtained. Likewise, the direct CP asymmetries of the quasi-two-body decays B0→K*+(892)π−, B0→K0*+(1430)π−, B0→K2*+(1430)π− and B0→f0(980)K0S are obtained. The largest sensitivity is obtained for ACP (B0→K*+(892)π−). This measurement is the first observation of the CP asymmetry with a significance larger then five standard deviations. The measurement is in agreement with the world average, with an improved precision.