Nous avons présenté dans cette habilitation à diriger des recherches une étude détaillée des désintégrations hadroniques des mésons B en résonance charmonium et kaon B→(J/ψ,ψ(2S),χc0,χc1,χc2)K(*). La description phénoménologique de ces désintégrations est rendue difficile par l'échange de gluons entre les particules de l'état final. L'hypothèse de factorisation, basée sur le principe de transparence de couleur, est fréquemment utilisée pour décrire ce type de processus. Nos mesures ont non seulement confirmé la non validité de cette hypothèse dans sa forme la plus simple (factorisation naive), mais ont aussi permis de quantifier les contributions non factorisables. Pour les trois résonances J/ψ,ψ(2S) et χc1, nous avons effectué la première mesure globale des rapports d'embranchement. La plupart de nos valeurs sont les plus précises publiées à ce jour. Nous avons aussi effectué la première analyse angulaire complête des trois résonances dont nous avons extrait la fraction de polarisation longitudinale. Nous avons confirmé les résultats précédents, avec une bien meilleure précision. La présence de phases fortes dans l'état final a aussi été confirmée par la mesure du décalage de près de 9 déviations standards par rapport à zéro de la différence δ║−δ⊥. Nos résultats sur le χc0 sont compatibles avec des prédictions phénoménologiques basée sur la présence de fortes contributions non factorisables. Les résultats sur le χc2 sont en revanche en désaccord avec ces prédictions. Enfin, nous avons pu faire une recherche de violation de CP directe par la mesure des corrélations de triples produits. Nous avons observé aucun signe de violation de CP.

Les études des propriétés et du mécanisme de la production du charmonium ont débuté avec la découverte du méson J/ψ. Depuis plus de 40 ans, le mécanisme de production de charmonium n'est toujours pas clair. Les états de charmonium sont copieusement produits dans les collisionneurs hadroniques, ce qui permet d'étudier systématiquement leurs paramètres de résonance, leur production et leurs désintégrations. En dépit des taux de production élevés, de nombreux états de charmonium sont peu étudiés suite aux difficultés de leur reconstruction avec le bruit de fond important. L’expérience LHCb offre une opportunité unique d’étudier les états S et P de charmonium en utilisant leurs désintégrations vers des hadrons, et en particulier la production des états ηc et χc. Selon le formalisme de la QCD non relativiste (NRQCD), les éléments de matrice décrivant l’hadronisation des états S (ou P) du charmonium sont liés. Par conséquent, les mesures LHCb fournissent les nouveaux tests rigoureux de NRQCD. Dans le cadre de la thèse, la première mesure de la section efficace de production de l’état ηc(1S) à √s=13 TeV et la mesure la plus précise de la masse sont effectués, avec la désintégration de l'état ηc(1S) vers proton et antiproton. De plus, la production des états χc et ηc(2S) dans les désintégrations des hadrons b est étudiée en utilisant leurs désintégrations vers φφ. Les résultats obtenus sont confrontés aux prédictions de modèles théoriques. L’analyse phénoménologique originale démontre que la description de la production de charmonium dans les collisions hadroniques et de la production dans les désintégrations inclusives des hadrons b dans la gamme entière des impulsions transverses demeure un défi. / Studies of charmonium properties and production mechanism started with the discovery of J/ψ meson. Since more than 40 years the charmonium production mechanism is still not entirely understood. Following the era of investigations at e⁺e⁻ machines, nowadays, charmonium states are copiously produced at hadron colliders, that allows systematic studies of their resonance parameters, production observables and decays. Despite large production rates, many charmonium states are barely studied due to the complications of their reconstruction against a large background level. The LHCb experiment provides a unique opportunity to study S-wave and P-wave charmonium states using their decays to hadrons. This allows measuring production observables of ηc and χc charmonium states. According to the theoretical formalism of Non-Relativistic QCD (NRQCD), the production observables of the same wave charmonium states are linked. Hence, the LHCb measurements provide a series of stringent tests of NRQCD. In the framework of this thesis, the first measurement of the ηc(1S) differential production cross-section at √s=13 TeV and the most precise to date single mass measurement are performed, where the ηc(1S)$ state is reconstructed via its decay to proton and antiproton. In addition, the production of the χc and ηc(2S) states in b-hadron decays is studied using decays to φφ. The obtained results are confronted with existing theory predictions. The original phenomenological analysis concludes that the description of charmonium prompt production and production in inclusive b-hadron decays in an entire range of transverse momentum remains a challenge.

L'expérience BaBar a pour objectif de rechercher et de mesurer la violation de $CP$ dans le secteur des mésons $B$ et de contraindre les paramètres du modèle standard. Une des originalités de son dispositif expérimental est le DIRC, le détecteur à effet Cherenkov utilisé pour distinguer les pions des kaons chargés. Une table de correction est mise en place pour corriger ses défauts d'alignement, et permet au DIRC d'atteindre ses performances nominales, c'est à dire une séparation entre kaon et pion de $4\sigma$ pour une quantité de mouvement de $3\gevc$. La recherche de violation de $CP$ dans le canal de désintégration du $B^0$ en $\rho\pi$ devrait permettre de contraindre l'angle $\alpha$ du triangle d'unitarité, un des paramètres du modèle standard. L'objectif de cette analyse est de mesurer les paramètres de violation de $CP$ ainsi que les autres paramètres entrant dans la description de la distribution de probabilité du temps de désintégration. Une méthode de maximum de vraisemblance combine l'information temporelle et des variables discriminantes du bruit de fond du continuum $\e^+\e^-\to q\bar(q)$, dont certaines sont résumées dans un réseau de neurones. L'autre bruit de fond, constitué des autres modes de désintégration du $B$, est pris en compte par des termes correctifs dans l'ajustement. Cette analyse présente à ce jour les meilleures mesures pour ce canal, et semble donner une indication de la violation directe de $CP$. Pour interpréter ces mesures en termes de contraintes sur les paramètres du modèle standard, il est nécessaire d'utiliser un modèle pour prédire la contribution à longue distance des amplitudes de désintégration. Pour un exemple de tel modèle, la ``factorisation QCD'', un test de validation compare les prédictions aux données expérimentales sur les désintégrations non charmées du méson $B$. Ce test semble indiquer un désaccord, qui pourrait être réduit dans l'avenir par une meilleure connaissance expérimentale et théorique des désintégrations du $B$.

L'étude présentée dans cette thèse est dédiée à l'analyse des désintégrations radiatives de mésons beaux, processus faisant intervenir le quark b ce dernier se désintégrant par interaction faible en un quark s avec émission d'un photon. Ce type de désintégration est interdit à l'arbre en théorie quantique des champs et doit donc s'opérer à l'aide de boucles. Ces désintégrations ont des rapports d'embranchement très faibles, de l'ordre de 10^{-5}. Dès lors, l’étude de ces processus à l'aide du détecteur LHCb permet de mesurer précisément des observables reliées à ces processus, telles que les rapports d'embranchement, les asymétries de CP ou des variables angulaires et d'hélicité comme la polarisation du photon. En comparant ces résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques du Modèle Standard de la Physique des Particules, il devient possible de tester ce modèle et de contraindre l'existence d'une nouvelle physique au delà du Modèle Standard. L'analyse présentée dans cette thèse se concentre sur l'étude des désintégrations B0 -> K*0 gamma, Bs0 -> phi gamma et Bs0 -> K*0 gamma. Les événements utilisés sont ceux où le photon s'est converti en une paire électron-positron par interaction avec le détecteur afin de bénéficier de la bonne résolution sur l'impulsion des traces chargées des trajectographes de LHCb. Les mesures du rapport des rapports d'embranchement des désintégrations B0 -> K*0 gamma et Bs0 -> phi gamma ainsi que de l'asymétrie de CP directe dans le processus B0 -> K*0 gamma sont réalisées. La bonne résolution obtenue sur la masse du méson B0 a permis de déterminer une première limite supérieure au rapport d'embranchement de la désintégration supprimée de Cabbibo Bs0 -> K*0 gamma. / The purpose of the work presented in this thesis is to study the radiative decays of B mesons. These processes correspond to the decay of a b-quark into a s-quark through the weak interaction with a photon in the final state. This kind of decay is not allowed at tree level in the quantum field theory but only through virtual loops. These processes have small branching fractions of the order of 10^{-5}. The study of these decays with the LHCb detector provides precise measurements of related observable such as branching fractions, CP asymmetries or angular variables such as the photon polarisation. These results can be compared with the theoretical prediction of the Standard Model of Particle Physics. Therefore, it is possible to test this model and to constrain the existence of new physics behind the Standard Model. The analysis presented in this thesis focuses on the B0 → K*0 gamma, Bs0 → phi gamma and Bs0 → K*0 gamma decays. Only events where the photon has converted into a dielectron pair by interacting with the detector are used. This allows to take advantage of the good resolution on the charged tracks momentum obtained with the LHCb's tracking system. The measurements of the ratio of branching fractions of the B0 → K*0 gamma and Bs0 → phi gamma decays and of the direct CP asymmetry in the B0 → K*0 gamma process are performed. The good resolution obtained on the B meson mass allows to set the first upper limit on the branching ratio of the Cabbibo suppressed Bs0 → K*0 gamma decay.

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.

La mesure de la phase phis violant la symétrie CP dans les désintégrations Bs -> J/psi phi est une des analyses phares de l'expérience LHCb. Le Modèle Standard prédit cette observable avec une faible incertitude théorique. La présence de Nouvelle Physique notamment dans les diagrammes en boucle de l'oscillation Bs - anti Bs peut significativement modifier la mesure de cette phase. Durant cette thèse, nous avons participé à différents aspects de l'analyse des désintégrations Bs -> J/psi phi. Nous avons proposé une sélection multi-variables, basée sur un algorithme d'arbres de décision boostés. Cette nouvelle sélection augmente le nombre de signal Bs -> J/psi phi de 19% mais nécessite une correction temporelle. Une étude portant sur l'origine des distorsions angulaires caractéristiques des désintégrations Bs -> J/psi phi a aussi été menée. Il s'avère que la principale source de distorsion est la géométrie du détecteur LHCb. Nous avons aussi contribué à un autre élément clef de cette analyse : l'étiquetage de la saveur. Afin de connaître la saveur initiale des mésons B, un algorithme d'étiquetage a été développé. Il exploite les traces chargées provenant du hadron B de côté opposé. Nous avons participé à son optimisation ainsi qu'à son étalonnage en étudiant les désintégrations Bd -> J/psi K*. En utilisant l'intégralité des données enregistrées en 2011, soit 1 fb-1, après optimisation et calibration de cet algorithme, la puissance d'étiquetage dans le canal Bs -> J/psi phi est : (2.29 +- 0.07 +- 0.26) %. La valeur de phis mesurée est alors : \phis = -0.001 +- 0.101 +- 0.027 rad dans les désintégrations Bs -> J/psi phi. L'analyse combinée de Bs -> J/psi phi avec les désintégrations Bs -> J/psi \pi+ \pi- donne la meilleure mesure mondiale de \phis = -0.002 +- 0.083 +- 0.027 rad. Cette mesure est compatible avec le Modèle Standard, mais ses incertitudes laissent possible la présence de Nouvelle Physique.

Les désintégrations rares B0s → μ + μ-et B0 → μ + μ-sont des canaux de référence pour contraindre les modèles au-delà du Modèle Standard (BSM) avec un plus grand secteur de Higgs. Dans le SM, la fraction de branchement de ces désintégrations est prédite avec une bonne précision: B (B0 (s) → μ + μ-) = (3,2 ± 0,2) × 10-9 et B (B0 → μ + μ-) = (0,10 ± 0,01) × 10-10. Tout écart par rapport à ces valeurs peuvent donner des indications sur la physique BSM. Le cœur de cette thèse comporte deux thèmes principaux: le rejet du bruit de fond et l'extraction du signal. Nous avons optimisé un classificateur multivariée basée sur la décision des arbres technique permettant une réduction drastique du bruit de fond de B → h + h'-(h ≡ π, K) . Après le processus de sélection, environ 76% du fond combinatoire pour B0s → μ + μ-est enlevé, tout en gardant une efficacité de signal d'environ 92%. Une autre discrimination entre le signal et le fond est réalisé avec un autre classificateur multivariée optimisé pour un rejet de grand fond dans la région de l'efficacité de signal faible. Le travail présenté dans cette thèse décrit l'optimisation d'un classificateur d'arbres de décision qui supprime 99,9% du fond renforcé, après le processus de sélection ci-dessus, pour un rendement de signal de 50%. Nous avons proposé une méthode pour estimer les rendements de signaux présents dans notre échantillon de données en utilisant un ajustement extension maximale de vraisemblance. / The rare decays B0s→μ+μ− and B0→μ+μ− are benchmark channels to constrain models beyond the Standard Model (BSM) with a larger Higgs sector. In the SM, the branching fraction of these decays is predicted with a good accuracy: B(B0(s)→μ+μ−)=(3.2±0.2)×10−9 and B(B0→μ+μ−)=(0.10±0.01)×10−10. Any deviation from these values can lead to indications of physics BSM. The core of this thesis comprises two main topics: the background rejection and the signal yields extraction. We have optimized a multivariate classifier based on the boosted decision trees technique allowing for a drastic reduction of the B→h+h′− (h≡π,K) background. After the selection process, about 76% of the combinatorial background for B0s→μ+μ− is removed, while keeping a signal efficiency of about 92%. A further discrimination between signal and background is accomplished with another multivariate classifier optimized to have a large background rejection in the low signal efficiency region. The work presented in this thesis describes the optimization of a boosted decision trees classifier that suppresses 99.9% of the background, after the aforementioned selection process, for a signal efficiency of 50%. We have proposed a method to estimate the signal yields present in our data sample using an extended maximum likelihood fit.

Résumé indisponible / Résumé indisponible

Dans la première partie de ce travail, nous avons traité de quelques sujets qui sont pertinents dans le domaine de la physique des résonances nucléoniques dans le cadre des différents modèles des quarks constituants. Dans ce contexte, nous avons concentré nos recherches sur la description théorique des désintégrations Pi et Nu des résonances N et Delta. Les résultats obtenus montrent la nécessité d'une description plus microscopique de la dynamique responsable à la fois pour la liaison des quarks dans les baryons et la désintégration de ceux-ci.<br>Dans la seconde partie de notre étude nous avons contribué à une recherche sur le rôle de l'échange de deux bosons croisés dans l'équation de Bethe-Salpeter, aussi bien qu'à l'étude de différentes approches tri-dimensionelles, qui proviennent de l'équation de Bethe-Salpeter dans une réduction non relativiste, en particulier une équation avec interaction dépendante de l'énergie. Il est montré qu'une telle équation reproduit bien certaines propriétés de l'équation de Bethe-Salpeter et, en particulier, qu'il émerge aussi des solutions anormales dans une telle approche.

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.