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.

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.

Gittersimulationen der Quantenchromodynamik ermöglichen eine vollständig nichtperturbative Berechnung hadronischer Korrelationsfunktionen, allerdings müssen die Beiträge angeregter Zustände unter Kontrolle sein um verlässlich physikalische Größen wie Teilchenenergien und Matrixelemente extrahieren zu können. In dieser Arbeit wird eine effektive Feldtheorie, die Chirale Störungstheorie Schwerer Mesonen (ChSTSM), verwendet um die dominanten Beiträge der angeregten Zustände in B Meson Korrelationsfunktionen, die zur Extraktion von CKM Matrixelementen verwendet werden, analytisch zu bestimmen. Zuerst werden die Analoga der Quarkbilineare, die als interpolierende Felder in Gittersimulationen verwendet werden, in der ChSTSM hergeleitet. Diese hängen von Niedrig-Energie-Konstanten (NEKs) ab, deren Werte für lokale Felder bekannt sind. Geschmierte interpolierende Felder kann man andererseits durch verändern dieser numerischen Werte beschreiben. Dies wird im Laufe der Arbeit mehrfach genutzt um den Einfluss des Schmierens zu untersuchen. Mit den Feldern kann die Zweipunkt-Funktion des B Meson berechnet werden, aus der seine Masse und Zerfallskonstante sowie die jeweiligen Beiträge der angeregten Zustände bestimmt werden können. Aus Quotienten von passend gewählten Drei- und Zweipunkt-Funktionen werden weiterhin die ChSTSM NEK g, die Formfaktoren des semileptonischen B Zerfalls und die Matrixelemente, die neutrale B Oszillationen beschreiben, sowie die dominanten Beiträge der angeregten Zustände bestimmt. Letztere führen, abhängig von den Werten der NEKs, meist zu einem um ein paar Prozent höheren Wert für die Quotienten. Einige Ergebnisse hängen zusätzlich von weiteren unbekannten NEKs ab. Für diese werden Korrelationsfunktionen angegeben aus denen sie mittels Gitterrechnungen bestimmt werden können. Im Gegensatz zu den vorherigen Ergebnissen sind die Beiträge der angeregten Zustände für einen der semileptonischen Formfaktoren eine Größenordnung größer und negativ. / Lattice simulations of Quantum Chromodynamics allow for a fully non-perturbative computation of hadronic correlation functions, but for a reliable extraction of physical quantities such as particle energies and matrix elements the contribution of excited states needs to be under control. In this thesis, an effective field theory known as Heavy Meson Chiral Perturbation Theory (HM ChPT) is used to analytically compute the dominant excited states contamination of B meson correlators which are relevant for the extraction of CKM matrix elements. First, the analogues of the quark bilinears which are used as interpolating fields in lattice simulations are derived in HM ChPT. These depend on a set of low energy constants (LECs) which are known for local fields. On the other hand, smeared interpolating fields can be incorporated in the effective theory by changing the values of these LECs, a fact that will be used throughout this thesis for investigating the effect of smearing. The interpolating fields are used to compute the B meson two-point function from which the B meson mass and decay constant as well as the respective excited states contamination can be extracted. From suitably chosen ratios of three-point functions and two-point functions, the HM ChPT LEC g, the form factors of semileptonic B meson decay, and the matrix elements of neutral B meson oscillations were determined. The computed excited states contamination of these ratios usually leads to an overestimation of the order of a few percent, depending on the values chosen for the LECs. Some results depend on so far unknown LECs, for which suitable correlation functions for a lattice determination are presented. In contrast, the excited states contamination of one of the semileptonic form factors is an order of magnitude larger and negative.

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. / In the Standard Model of particle physics, the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanism describes the quark mixing effect. The CKM gamma angle is one of the parameters of the Standard Model that are known less accurately. Direct measurements give an uncertainty of around 15º, large with respect to the uncertainty on the value extracted from global fits, of 3º. In order to test the Standard Model consistency, the gamma angle needs to be measured precisely. This can be done using processes at the tree-level, where only Standard Model contributions are expected, or using processes involving loop diagrams, which can be sensitive to physics beyond the Standard Model. Differences in the gamma measurement from tree and loop diagrams would be an indication of new physics. This thesis presents the first measurement of the CP observables in the B0 -> DK*0 decay. Sensitivity to gamma arises from the interference of the b -> u mediated amplitude with the b -> c one, at the tree-level. The CP asymmetry of the B0 -> D(K+K-)K*0 mode and the partial width ratio of this channel with respect to B0 -> D(K+pi-)K*0 are measured using 1 /fb of data collected by the LHCb experiment in 2011,A_KK_d = -0.452 +/- 0.230 +/- 0.025 = A_CP+,R_KK_d = 1.360 +/- 0.366 +/- 0.075 = R_CP+. The CP asymmetry of the suppressed B0 -> D(K-pi+)K*0 mode and the partial width ratio with respect to the favoured B0 -> D(K+pi-)K*0 are measured using the total 3 /fb of data collected in 2011 and 2012,A_sup_d = -0.094 +/- 0.318 = A_ADS,R_d = 0.075 +/- 0.023 = R_ADS. In addition, the studies performed on the hardware hadronic trigger of the LHCb experiment are also presented.

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.

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.