Étude des désintégrations rares des baryons beaux avec le détecteur LHCb

Untersuchung von seltenen Beauty-Baryonenzerfällen mit dem LHCb-Detektor

Study of rare beauty baryon decays with the LHCb detector

• Auteur / Autrice : Janina Nicolini
• Direction : Marie-Hélène Schune, Johannes Albrecht
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 05/07/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universität Dortmund
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (Orsay ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Fabien Cavalier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chris Malena Delitzsch, Jonas Rademacker, Danny Van Dyk, Justine Serrano, Tim Gershon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chris Malena Delitzsch, Jonas Rademacker
• DOI : 10.70675/5876c41bzd322z4df3za4a3z6c9eddab96ba

Mots clés

Mots clés contrôlés

Baryons

Grand collisionneur de hadrons

Physique au-delà du modèle standard

Mots clés libres

Physique de la saveur

LHCb

Physique du B

Baryons

Désintégration rares

Analyse angulaire

Flavourphysik

LHCb

B-Physik

Baryonen

Seltene Zerfälle

Winkelanalyse

Flavour physics

LHCb

B physics

Baryons

Rare decays

Angular analysis

Résumé

Les courants neutres avec changement de saveur, tels que les transitions b-> sl+l-, sont interdits au premier ordre dans le Modèle Standard (MS) et ne peuvent se produire qu'au niveau des boucles. Par conséquent, ils sont sensibles à la présence potentielle de Nouvelle Physique (NP) qui se manifestait par la présence de petites déviations par rapport aux prédictions du MS. Alors que la matière ordinaire est composée de baryons, très peu de mesures ont été réalisées avec des transitions baryoniques b-> sl+l- en raison de la suppression de la production de baryons de beauté dans les expériences travaillant auprès de collisionneurs. Dans cette thèse, plusieurs analyses sont présentées pour améliorer la connaissance des quatre baryons de beauté pour ce qui concerne leurs désintégrations via des transitions b-> sl+l-. Tout d'abord, le statut actuel de l'analyse angulaire des désintégrations Lambdab -> Lambdal+l- est réalisé pour la première fois en utilisant l'ensemble de la statistique collectée par l'expérience LHCb. Les dix coefficients angulaires sont mesurés dans la plage de masse invariante dileptonique au carré, q2, de 15 à 20 GeV^2/c^4 pour le mode muonique. La procédure d'ajustement a été validée avec des pseudo-expériences. Les observables angulaires des désintégrations Lambdab -> Lambdamu+mu- ne sont pas dévoilées sur les données dans le document de thèse. De plus, les modes de désintégration via des charmonia, Xib- -> Xi^-Jpsi et Omegab- -> Omega-Jpsi , ont été utilisés pour améliorer la connaissance des propriétés du baryon Omegab-. De manière similaire, les désintégrations Xib0 -> Xi0Jpsi et Xib0 -> Xi0psi(2S) précédemment non observées ont été étudiées. Cette thèse présente également le statut actuel de la première recherche de la désintégration Xib- -> Xi-mu+mu- et de l'observation de la désintégration Xib- -> Xi-psi(2S). Outre le travail d'analyse mené dans cette thèse, la contributions au détecteur à fibre scintillante (SciFi) de l'expérience LHCb est discutée.

Flavour-ändernde neutrale Ströme, wie b-> sl+l- Übergänge, sind im Standardmodell (SM) auf Baumgraphen-Niveau verboten und können nur auf Schleifenebene auftreten. Daher sind sie sehr sensitiv gegenüber kleinsten Abweichungen in Bezug auf die SM-Vorhersagen erzeugt durch die mögliche Existenz der Neuen Physik (NP). Während gewöhnliche Materie aus Baryonen besteht, wurden bisher nur sehr wenige Messungen mit baryonischen b-> sl+l- Übergängen durchgeführt, da die Produktion von Beauty-Baryonen bei Beschleunigerexperimenten unterdrückt wird. In dieser Arbeit werden mehrere Analysen vorgestellt, um das Wissen über die vier schwach zerfallenden Beauty-Baryonen und die entsprechenden b-> sl+l- Übergänge zu verbessern. Zunächst wird der aktuelle Stand der Winkelanalyse von Lambdab-> Lambdal+l- Zerfällen präsentiert, in der zum ersten Mal die vollständigen Datensätze vom Run 1 und 2 des LHCb-Experiments genutzt werden. Alle zehn Winkelkoeffizienten werden im Bereich der quadrierten invarianten Dileptonenmasse 2q2 von 15 bis 20 GeV^2/c^4 für den myonischen Zerfallskanal gemessen. Das Verfahren zur Messung der Winkelkoeffizienten wurde mit Pseudo-Experimenten validiert. Der Signalbereich zur finalen Bestimmung der Werte der Winkelobservablen von dem Lambdab-> Lambdamu+mu- Zerfall wird in dieser Arbeit ausgespart. Darüber hinaus wurden die Charmonium-Zerfallskanäle Xib- -> Xi-Jpsi und Omegab- -> Omega-Jpsi dazu verwendet, die Erkenntnis über die Eigenschaften des Omegab- Baryonens zu verbessern. Ebenso wurden die bisher nicht beobachteten Xib0 -> Xi0Jpsi und Xib0 ->Xi0psi2S Zerfälle untersucht. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit der aktuelle Stand der ersten Suche nach dem Xib- -> Xi-mu+mu- Zerfall und die Beobachtung des Xib- -> Xi-psi2S-Zerfalls dargestellt. Neben den in dieser Arbeit durchgeführten Analysen werden auch die Beiträge zum SciFi-Detektor des LHCb Experiments diskutiert.

Flavour-changing neutral currents, such as 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 small deviations from the presence of possible New Physics (NP) effects with respect to the SM predictions. While ordinary matter is made out of baryons, very few measurements have been performed with baryonic b-> sl+l- transitions due to the production suppression of beauty baryons at collider experiments. In this thesis, several analyses are presented to improve the knowledge of the four weakly decaying beauty baryons and respective b-> sl+l- transitions. First of all, the current status of the angular analysis of Lambdab -> Lambdal+l- decays is presented for the first time using the full Run~1 and 2 datasets collected by the LHCb experiment. All ten angular coefficients are attempted to be measured in the dilepton invariant mass squared, q2, range from 15 to 20 GeV^2/c^4 for the muon mode. The muon mode fit procedure has been validated with pseudo-experiments. The angular observables of the Lambdamu+mu- are kept blind in the thesis. Furthermore, the charmonium decay modes, Xib- -> Xi-Jpsi and Omegab- -> Omega-Jpsi, have been used to improve the knowledge of the Omegab- baryon properties. Similarly, the previously not observed Xib0 -> Xi0Jpsi and Xib0 -> Xi0 psi(2S) decays have been studied. In addition, this thesis also presents the current status for the first search for the Xib- -> Xi-mu+mu- decay and the observation of the respective Xib- -> Xi-psi(2S) decay. Besides the analysis work conducted in this thesis, the contributions to the Scintillating Fibre (SciFi) detector of the LHCb experiment are discussed.