This thesis presents measurements of the branching fractions of the charmless baryonic decays B(s) → p anti-p h+ h'-, where h(') denotes a kaon or a pion. Three new modes (B → p anti-p pi+ pi-, Bs → p anti-p K+ K- and Bs → p anti-p K+(-) pi-(+)) are observed for the first time and evidence is found for a fourth (B → p anti-p K+ K-). The inclusive branching fraction of B → p anti-p K+(-) pi-(+) is measured for the first time and the upper limit is set on the branching fraction of the Bs → p anti-p pi+ pi- decay. This represents the first observation of four-body charmless baryonic decays of a Bs meson and one of the first observations of baryonic Bs decays. The implementation of the real-time alignment of LHCb's vertex detector is also described. The novel real-time alignment and calibration strategy adopted by LHCb is essential to allow more stable data taking conditions and an optimal 'offline-quality' reconstruction to be performed at the trigger level, ensuring more efficient trigger selections and the possibility to perform physics analyses directly on the trigger output.

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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.

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.