Le LHC (Large Hadron Collider) situé au CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) à Genève est le plus grand accélérateur pour la physique des particules. Les collisions proton-proton à des energies dans le centre de masse pouvant aller jusqu'à 14 TeV qui seront produites au LHC vont offrir la possibilité de s'intéresser aux questions les plus fondamentales en Physique. L'expérience LHCb est l'une des quatre expériences principales au LHC. Dédiée aux études de physique du b, le but principal de l'expérience LHCb est d'explorer d'éventuels modèles de Nouvelle Physique au-delà du Modèle Standard à travers l'étude des désintégrations rares des hadrons charmés ou beaux, et à travers des mesures de précision des observables de la violation de CP. Même lors de sa phase de fonctionnement initial, un nombre important de J/ψ va être collecté par le détecteur LHCb et va nous permettre de réaliser des études très intéressantes sur la production du charmonium. Ces mesures pourront apporter un éclairage nouveau pour la compréhension des mécanismes de production des quarkonia dans les collisions de hadrons. Dans cette thèse, les études de la production de J/ψ à LHCb est presentée, basée sur un échantillon d'événements Monte Carlo complétement simulés. La procédure dévelopée dans cette thèse sera utilisée pour analyser les données réelles lorsque suffisamment de statistique sera accumule. L'analyse a été effectuée en utilisant des événements Monte Carlo générés à une énergie dans le centre de masse égale à 14 TeV, et à une luminosité de 2 × 10^32 cm^−2 s^−1 . La taille du lot de données simulées correspond à une luminosité intégrée de 0.79 pb^−1 . Les événements J/ψ sont reconstruits en utilisant des critères de sélection optimisés pour atteindre la meilleure discrimination contre les processus de bruit de fond. L'étude réalisée montre que 6.5 ×10^6 J/ψ peuvent être reconstruits par pb^−1 de données avec une résolution en masse de 11 MeV/c^2 et un rapport signal sur bruit S/B résolution en masse de 11 MeV/c et un rapport signal sur bruit S/B ∼ 18 dans une fenêtre de masse de ±3σ. La section efficace de production des J/ψ prompt et des J/ψ de désintégrations de b est mesurée dans 28 bins en pT et η recouvrant la région 0 < pT < 7 GeV/c et 3 < η < 5. Dans chaque bin, une variable est définie pour distinguer les J/ψ prompt de ceux de désintégrations de b. Pour 0.79 pb−1 de données, une précision de 10% peut être obtenue pour la ma jorité des bins. Les erreurs systématiques sont estimées à un niveau équivalent. L'analyse montre également que la polarisation du J/ψ joue un rôle important dans la détermination de la section efficace. Elle peut contribuer à une erreur systématique jusqu'à 30% dans certains bins. Un tel effet peut être grandement réduit si une analyse de la polarisation du J/ψ est effectuée simultanément. La mesure des paramètres de polarisation aidera aussi grandement pour la compréhension du méchanisme de production du J/ψ. Dans le but de réduire la quantité de données simulées nécessaire pour les estimations d'efficacité, une méthode est dévelopée pour prendre en compte les efficacités 2-D par trois paramètres, et toutes les erreurs à part les erreurs statistiques ne dépendront que de ces trois paramètres. A partir des trois paramètres estimés avec les mêmes données Monte Carlo, les erreurs sur les paramètres de polarisation pour la ma jorité des bins sont d'environ 0.1 pour les J/ψ prompt et d'environ 0.2 pour les J/ψ de désintégrations de b. L'expérience LHCb ayant déjà enregistré 14 nb^−1 de données, une partie de l'analyse peut être effectuée. Environ 3000 candidats J/ψ sont reconstruits avec une résolution en masse de 16 MeV/c^2 et un rapport signal sur bruit S/B ~ 18 dans une fenêtre en masse de ±3σ. En se basant sur cet échantillon, la section efficace en fonction de pT est mesurée. La mesure préliminaire de la section efficace des J/ψ dans la région pT ∈ [0, 9] GeV/c et y [2.5, 4] est 7.6 ± 0.3 µb où seule l'erreur statistique est donnée.

Ce mémoire est une synthèse de mes activités postdoctorales au sein de l'expérience LHCb, en cours d'installation auprès du grand collisionneur de hadrons LHC au Cern, à Genève. Dans le chapitre 1, j'introduis les bases phénoménologiques nécessaires à l'étude de la physique des saveurs en montrant que cette dernière s'inscrit au coeur du modèle standard. Je rappelle les limitations de ce modèle. Puis j'explique comment la physique des saveurs en général, et plus particulièrement celle effectuée à LHCb, permet de rechercher de la nouvelle physique ou de la contraindre. Dans le chapitre 2, après une rapide présentation du détecteur LHCb, je présente le trigger de niveau zéro à muons, en développant deux aspects sur lesquels j'ai plus particulièrement travaillé: la résistance aux radiations des transmetteurs opto-électroniques et les performances physiques simulées du trigger. Le chapitre 3 synthétise les activités liées à l'étiquetage de la saveur des mésons B, activités dont je suis co-organisateur depuis mai 2005. Enfin au chapitre 4, après un rappel des progrès récents accomplis en physique des saveurs lourdes, je donne un aperçu des performances attendues de LHCb, pour quelques mesures clés. Je détaille notamment un aspect auquel j'ai pris part: la recherche de nouvelle physique dans les diagrammes pingouins b->s.

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

Les courants neutres changeant la saveur b -> sl⁺l⁻ ne sont autorisés dans le Modèle Standard (MS) qu'au niveau des boucles.Par conséquent, ils sont sensibles aux éventuels effets de la Nouvelle Physique (NP) au-delà du MS.Dans le MS, les transitions b -> se⁺e⁻ et b -> sμ⁺μ⁻ ont la même probabilité, cette propriété est appelée l'universalité du couplage aux leptons (UL).Tester l'UL dans les désintégrations de hadrons beaux a récemment été un domaine prometteur pour les recherches de NP. Des tensions par rapport aux prédictions du MS, de l'ordre de 2,5 déviations standards, ont été observées dans les désintégrations rares B -> K(*) l⁺l ⁻. À ce jour, les tests de l'UL ont été effectués uniquement sur des désintégrations de mesons beaux.Cette thèse présente un premier test de la UL dans la désintégration rare du baryon Lambdab -> pK l⁺l⁻ , en utilisant les données collectées par l'expérience LHCb au CERN en 2011, 2012 et 2016. La sensibilité statistique attendue est d'environ 15%, tandis que la valeur centrale reste aveuglée.La première mesure du rapport de branchement de la désintégration Lambdab -> pKμ⁺μ⁻ est effectuée avec une précision statistique de 5,3%.En outre, cette thèse présente la première observation de la désintégration Lambdab -> pKe⁺e ⁻ , ainsi que la mesure de son rapport de branchement.Enfin, la désintégration Xib0 -> pKJ/ψ est observée et étudiée pour la première fois. / Flavor-changing neutral-current b ->sl⁺l⁻ transitions are forbidden at tree level in the Standard Model (SM), and can only occur at loop level. Therefore, they are sensitive to possible New Physics (NP) effects beyond the SM. In the SM, the transitions b ->se⁺e⁻ and b -> sμ⁺μ⁻ have the same probability to happen, this property is called lepton universality (LU). Probing LU in b-hadron decays has been recently a promising area for NP searches. Tensions with respect to the SM predictions at the level of about 2.5 standard deviations have been observed in rare B -> K(*)l⁺l ⁻ decays. To date, tests of LU have been performed only in decays of b-mesons.This thesis presents a first test of the LU in rare b-baryon decays Lambdab -> pK l⁺l⁻ using the data collected by the LHCb experiment at CERN, during 2011, 2012 and 2016 data-taking periods. The expected statistical sensitivity is about 15%, while the central value remains blind at the moment. The first measurement of the branching fraction of the decay Lambdab -> pKμ⁺μ⁻ is performed with the statistical precision of 5.3%.In addition, this thesis presents the first observation of the Lambdab -> pKe⁺e ⁻ decay, and the measurement of its branching fraction.Finally, a suppressed decay Xib0 -> pKJ/ψ is observed and studied for the first time.

Je présente dix années d'activité passées sur l'expérience BaBar ainsi que mon projet de recherche sur l'expérience AMS. Je décris les installations expérimentales relatives à BaBar et les principaux résultats apportés par l'expérience. Ensuite je détaille mes sujets de recherche qui sont liés à l'étude des états finals B -> Dbar(*) D(*) K. Ces états finals sont au nombre de 22 et présentent des propriétés très intéressantes à mesurer. Tout d'abord, ils constituent une fraction non négligeable des désintégrations des mésons B et une mesure des rapports d'embranchement est ainsi présentée. Cette mesure permet une étude des relations d'isospin entre tous les états finals. Ces désintégrations permettent également de retirer des informations utiles sur les angles du triangle d'unitarité, qui sont liés à la violation de CP. Les événements B -> Dbar(*) D(*) K contiennent de nombreuses résonances, dont certaines sont encore mal connues et demeurent mystérieuses. Je décris l'étude qui est faite sur des résonances telles que le X(3872) ou le Ds1*(2700), en utilisant des distributions de masses invariantes ou des diagrammes de Dalitz. Enfin, mon projet de recherche sur AMS est présenté, et j'explique l'intérêt d'une mesure de la fraction de positons, et à terme, du flux de positons. Des déviations de ces mesures par rapport aux prédictions pourraient être le signe de pulsars proches, mais également pourraient constituer une observation indirecte de l'annihilation de matière noire.

L'étude de l'universalité de la saveur des leptons est actuellement un sujet prometteur pour tester la présence de contributions de nouvelle physique dans des processus décrits par le Modèle Standard. Les mesures de désintégrations semitauoniques sont particulièrement intéressantes car de possibles couplages de nouvelle physique au lepton τ pourraient être accrus par rapport aux deux autres leptons du fait de sa masse. Les mesures expérimentales des rapports de branchement des désintégrations B->D*τν et B->Dτν sont présentement en tension avec les prédictions théoriques à la hauteur de 3.78σ. De nouvelles mesures ainsi que l'étude de nouveaux canaux sont ainsi indispensables pour comprendre l'origine de ce désaccord. Le travail présenté dans cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle technique pour reconstruire le lepton τ via sa désintégration en trois pions et son usage pour mesurer des rapports de rapports de branchements pour deux désintégrations B->D*τν et Λb->Λcτν par rapport aux mêmes désintégrations impliquant des muons. Ces rapports sont respectivement dénommés R(D*) et R(Λc). R(D*) est mesuré en utilisant les 3 fb⁻¹ de collisions proton-proton collectées par le détecteur LHCb pendant le Run1 du LHC à une énergie dans le centre de masse de 7 et 8 TeV via la reconstruction du τ en trois pions. Le résultat obtenu R(D*⁻) = 0.291 ± 0.019(stat) ± 0.026(syst) ± 0.013(ext) est compatible avec la prédiction du Modèle Standard à 1σ près tout en étant cohérent avec les mesures précédemment effectuées. Sa précision permet aussi de conforter le désaccord entre la combinaison des mesures et la prédiction théorique. Ces mêmes données sont aussi analysées dans cette thèse afin d'étudier la désintégration Λb->Λcτν observée pour la première fois avec une significance de 5.7σ. Les incertitudes statistiques et systématiques sont aussi estimées et R(Λc) peut s'écrire R(Λc) = X*(1 ± 0.105(stat) ± 0.162(syst) ± 0.12(ext)) avec la valeur centrale encore masquée à ce jour. / Probing Lepton Flavour Universality has been recently a very promising topic to test for the presence of New Physics contributions in Standard Model processes. Measurements involving semitauonic decays are interesting as potential New Physics couplings to the τ-lepton could be enhanced with respect to the two other leptons due to its mass. Experimental measurements of B->D*τν and B->Dτν branching fractions are currently in tension with theoretical predictions at the 3.78σ level. Both precise measurements and analyses of new channels are thus required to understand the source of this disagreement. The work presented in this thesis describes the use of a new technique to reconstruct τ-lepton using its decay into three pions and its use to measure ratios of branching fractions for two decays B->D*τν and Λb->Λcτν with respect to the same decays involving a muon, these ratios are referred to as R(D*) and R(Λc). Using the 3 fb⁻¹ of proton-proton collisions recorded by the LHCb detector during the LHC Run1 at a centre-of-mass energy of 7 and 8 TeV, R(D*) was measured using the three-pions reconstruction for the τ to be R(D*⁻) = 0.291 ± 0.019(stat) ± 0.026(syst) ± 0.013(ext) This result is compatible with the Standard Model expectation at the 1σ level and is consistent with previous measurements. Its precision is able to slightly enforce the disagreement between the combination of the measurements with the theoretical prediction. The same dataset is also analysed in this thesis to study the Λb->Λcτν decay which is observed for the first time with a significance of 5.7σ. Both statistical and systematic uncertainties were estimated and R(Λc) can then be expressed as R(Λc) = X*(1 ± 0.105(stat) ± 0.162(syst) ± 0.12(ext)) with its central value remaining blind at the moment.

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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.

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.

La désintégration radiative du méson B en méson étrange axiale, B--> K1(1270) gamma, a été observée récemment avec un rapport d'embranchement assez grand que B--> K* gamma. Ce processus est particulièrement intéressant car la désintégration du K1 dans un état final à trois corps nous permet de déterminer la polarisation du photon, qui est surtout gauche (droit) pour Bbar(B) dans le Modèle Standard tandis que des modèles divers de nouvelle physique prédisent une composante droite (gauche) supplémentaire. Dans cette thèse, une nouvelle méthode est proposée pour déterminer la polarisation, en exploitant la distribution totale du Dalitz plot, qui semble réduire considérablement les erreurs statistiques de la mesure du paramètre de la polarisation lambda_gamma.Cependant, cette mesure de la polarisation nécessite une connaissance détaillée de la désintégration forte K1--> K pi pi : c'est-à-dire l'ensemble complexe des différentes amplitudes d'ondes partielles en plusieurs canaux en quasi-deux-corps ainsi que leurs phases relatives. Un certain nombre d'expériences ont été faites pour extraire ces informations bien qu'il reste divers problèmes dans ces études. Dans cette thèse, nous étudions en détail ces problèmes en nous aidant d'un modèle théorique. Nous utilisons ainsi le modèle 3P0 de création d'une paire de quarks pour améliorer notre compréhension des désintégrations fortes du K1.A partir de ce modèle nous estimons les incertitudes théoriques : en particulier, celle venant de l'incertitude de l'angle de mélange du K1, et celle due à l'effet d'une phase ``off-set'' dans les désintégrations fortes en ondes-S. Selon nos estimations, les erreurs systématiques se trouvent être de l'ordre de sigma(lambda_gamma)^th<20%. D'autre part nous discutons de la sensibilité des expériences futures, notamment les usines SuperB et LHCb, pour lambda_gamma. En estimant naïvement les taux annuels d'évènements, nous trouvons que l'erreur statistique de la nouvelle méthode est sigma(lambda_gamma)^stat<10%, ce qui est deux fois plus petit qu'en utilisant seulement les distributions angulaires simples.Nous discutons également de la comparaison avec les autres méthodes de mesure de la polarisation en utilisant les processus tels que B--> K* e^+ e^-, Bd--> K* gamma et Bs--> phi gamma, pour la détermination du rapport des coefficients de Wilson C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. Nous montrons un exemple de contraintes possibles sur C7gamma^‘eff/C7gamma^eff dans plusieurs scénarios de modèles supersymétriques. / Recently the radiative B-decay to strange axial-vector mesons, B--> K1(1270) gamma, was observed with a rather large branching ratio. This process is particularly interesting as the subsequent K1-decay into its three-body final state allows us to determine the polarization of the photon, which is mostly left(right)-handed for Bbar(B) in the Standard Model while various new physics models predict additional right(left)-handed components. In this thesis, a new method is proposed to determine the polarization, exploiting the full Dalitz plot distribution, which seems to reduce significantly the statistical errors on the polarization parameter lambda_gamma measurement.This polarization measurement requires, however a detailed knowledge of the K1--> K pi pi strong interaction decays, namely, the complex pattern of the various partial wave amplitudes into several possible quasi-two-body channels as well as their relative phases. A number of experiments have been done to extract all these information while there remain various problems in the previous studies. In this thesis, we investigate the details of these problems. As a theoretical tool, we use the 3P0 quark-pair-creation model in order to improve our understanding of strong K1 decays.Finally we try to estimate some theoretical uncertainties: in particular, the one coming from the uncertainty on the K1 mixing angle, and the effect of a possible ``off-set'' phase in strong decay S-waves. According to our estimations, the systematic errors are found to be of the order of sigma(lambda_gamma)^th<20%. On the other hand, we discuss the sensitivity of the future experiments, namely the SuperB factories and LHCb, to lambda_gamma. Naively estimating the annual signal yields, we found the statistical error of the new method to be sigma(lambda_gamma)^stat<10% which turns out to be reduced by a factor 2 with respect to using the simple angular distribution.We also discuss a comparison to the other methods of the polarization measurement using processes, such as B--> K* e^+ e^-, Bd--> K* gamma and Bs--> phi gamma, for the determination of the ratio of the Wilson coefficients C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. We show an example of the potential constraints on C7gamma^‘eff/C7gamma^eff. in several scenarios of supersymmetric models.