DETERMINATION DE L'ANGLE GAMMA DU TRIANGLE D'UNITARITÉ DANS LES DÉSINTÉGRATIONS À L'ARBRE B->DK*, EN UTILISANT LA MÉTHODE DE DALITZ ET LES DONNÉES DE L'EXPÉRIENCE LHCB. PARTICIPATION AUX AMÉLIORATIONS DES CALORIMÈTRES DE L'EXPÉRIENCE LHCB POUR PRÉPARER LE RUN 3 DU LHC

par Yuya Shimizu

Projet de thèse en Physique des particules

Sous la direction de Frédéric Machefert.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat , en partenariat avec Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    LHCb est l'un des quatre détecteurs situés aux points de collisions du LHC, le grand accélérateur du CERN (Laboratoire Européen de Physique des Particules), à Genève. Le domaine de physique de l'expérience LHCb est la mesure précise des paramètres de la violation de la symétrie CP (conjugaison de Charge et Parité) et l'étude des canaux rares de désintégration des hadrons B. LHCb est une collaboration internationale regroupant des laboratoires de nombreux pays et dont le but principal est de contraindre l'ensemble des paramètres du Modèle Standard responsables de la violation de CP, de découvrir la nouvelle physique sous-jacente et de permettre de mieux comprendre le phénomène. Le détecteur exploite la forte section efficace de production des mésons B par collisions proton-proton à l'énergie du LHC. Cette statistique doit permettre d'atteindre une précision sans précédent. Par le passé, le groupe LHCb du Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire, a été fortement impliqué à la fois dans la conception du détecteur (électronique des calorimètres, déclenchement de premier niveau, etc...) et dans la préparation de la physique. Notre groupe s'est ensuite orienté vers l'exploitation des données notamment pour la mesure de l'angle gamma du triangle d'unitarité, et participe maintenant activement à l'amélioration (« upgrade ») des calorimètres de l'expérience, en coordonnant cette activité et en concevant la nouvelle électronique de lecture. L'angle gamma du triangle d'unitarité est l'un des paramètres fondamentaux du Modèle Standard. C'est le seul paramètre de violation de CP qui peut être mesuré par des chaînes de désintégration impliquant des diagrammes à l'arbre. Cette mesure est l'un des principaux objectifs de l'expérience LHCb, mais elle reste difficile. Il existe plusieurs moyens complémentaires qui sont utilisés simultanément et combinés afin de fournir la précision recherchée. La précision actuelle atteinte par LHCb est de l'ordre de 5°, mais cette mesure n'inclut pas toutes les données acquises en 2017 et 2018, voire aucune donnée du Run 2 pour certaines voies de désintégration. Elle ne permet pas encore d'être sensible aux prédictions théoriques ou de mettre en lumière une potentielle différence entre la détermination par les canaux à l'arbre et celle obtenue par les désintégrations de type « pingouin ». Ce sujet propose la mesure de gamma par la méthode du diagramme de Dalitz dans le canal B0->DKpi. Ce canal fournit plusieurs avantages. Il permet une étude indépendante du temps, puisque le B est étiqueté par la charge du hadron K et rend la méthode insensible à l'oscillation du B0. De plus, il offre une bonne sensibilité à g. Le diagramme de Dalitz contenant les informations sur les amplitudes et les phases de chaque résonance contribuant à l'état final, permet une détermination globale de gamma avec une précision accrue. Mais, il s'agit d'une technique délicate à mettre en œuvre. Dans le cadre de cette thèse, la phase forte de la désintégration du D, par les modes D->Kspipi et D->KsK+K-, sera extraite des données et non plus obtenue par un modèle de désintégration spécifique (méthode « model- independent »), ce qui permet d'augmenter la précision de la mesure. La totalité des données des Runs 1 & 2 sera disponible pour cette analyse ainsi que les premières données du Run 3. Le groupe LHCb du LAL avait déjà été fortement impliqué dans la mesure de l'angle gamma et participé activement aux dernières publications (JHEP 08 (2016) 137, JHEP 12 (2016) 087), dans le cadre d'une précédente thèse. Un second volet de ce sujet concerne l'amélioration des calorimètres électromagnétiques et hadroniques de l'expérience LHCb pour la prise de données du Run 3 qui devra commencer en 2021. Le groupe du LAL coordonne le projet et a réalisé la plus grande partie de la nouvelle électronique qui sera installée en 2020. La reconstruction des objets calorimétriques pour le Run 3 et dans le cadre d'un environnement avec un fort empilement des collisions devra être adaptée. Cet empilement aura un impact sur la résolution en énergie, sur la détermination de la direction des particules ayant produit des gerbes dans le calorimètre électromagnétique, ainsi que sur l'identification des électrons et des photons avec LHCb. L'étudiant devra participer à l'élaboration des algorithmes pour la reconstruction (détermination des clusters, mesures de l'énergie déposée, reconstruction du point d'impact sur la surface du calorimètre) et pour l'identification des particules. Le groupe s'est engagé dans les tests in situ et dans la mise en route, « commissioning », de notre nouvelle électronique. L'étudiant devra participer à ce « commissioning » lors de séjours au CERN. Il devra contribuer à la réalisation des outils permettant le contrôle des calorimètres et notamment de cette électronique afin d'assurer un suivi constant et précis des performances (« online ») du détecteur lors de la prise de données. Il devra également avoir une activité opérationnelle au puits de l'expérience (shifts, piquets, etc...).

  • Titre traduit

    DETERMINATION OF THE ANGLE GAMMA OF THE UNITARIRITY TRIANGLE IN THE TREE DECAYS B->DK* USING THE DALITZ METHOD AND THE DATA SAMPLE RECORDED BY THE LHCB EXPERIMENT AT CERN. PARTICIPATION TO THE UPGRADE OF THE CALORIMETERS OF THE LHCB EXPERIMENT TO PRE


  • Résumé

    LHCb is one of the four large detectors located at the interaction points of the LHC, the Large Hadron Collider at CERN (Particle Physics European Laboratory), Geneva. The field of research of the LHCb experiment is the precise measurement of the violation of the CP symmetry (Charge Parity conjugation) and the study of the rare decays of the B hadrons. LHCb is an international collaboration gathering laboratories from many countries all over the world, and whose main purposes consist in constraining the parameters of the Standard Model responsible for the CP violation which is observed in nature, to discover the underlying new physics and to better understand the phenomenon. The detector exploits the large cross-section of production of the B mesons by proton-proton collisions at the LHC energies. The statistics stored by the experiment should permit to reach an unprecedented precision. In the past, the LHCb group of the Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire, has been strongly involved altogether in the conception of the detector (calorimeter electronics, first level trigger, etc...) and in the preparation of the physics analysis. Then, our group focused towards the exploitation of the data sample, for example, for the measurement of the angle gamma of the unitarity triangle and contributes now actively to the upgrade of the calorimeters of the experiment, by coordinating this activity and by conceiving the new readout electronics. The angle gamma of the unitarity triangle is one of the fundamental parameters of the Standard Model. This is the only parameter of CP violation that can be measured by decay channels relying on tree diagrams only. This measurement is one of the main objectives of the LHCb experiment, but it is still difficult. There are several complementary techniques to perform it and that must be used simultaneously and combined in order to reach the precision which is aimed for. The present precision reached by LHCb is of the order of 5°, but this measurement does not include all the data acquired in 2017 and 2018, or even no data stored during the Run 2 of the LHC for some decay channels. It does not permit to be sensitive to the theoretical predictions or to uncover any difference between the determination of gamma from the tree decays and the “pingouin” type decays. This thesis consists in measuring gamma by the Dalitz method in the decay channels B-DKpi. This channel provides several advantages. It permits an analysis which is time-independent, as the B meson is tagged by the charge of the K hadron in the decay and makes the method insensitive to the oscillations of the B meson. The Dalitz figure that contains the information on the amplitudes and on the phases of each resonance contributing to the final state, gives a global determination of gamma with a good sensitivity and precision. But, this technique is difficult to implement. In this thesis, the strong phase of the D meson decay, by the D->Kspipi and D->KsKK modes, will be extracted from the data and not anymore from a specific decay model (this is the so called “model-independent” method), which will permit to increase the precision of the measurement by reducing the systematic uncertainties. The totality of the Run 1 and 2 data samples will be available for this analysis. The LHCb group of the Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire had been already heavily involved in the gamma measurement in the past and participated to the last publications (JHEP 08 (2016) 137, JHEP 12 (2016) 087). A previous thesis in the group was devoted to this measurement. A second aspect of the subject concerns the upgrade of the electromagnetic and hadronic calorimeters of the LHCb experiment for the Run 3 data taking period that should start in 2021. The LAL group coordinates the project and realized most of the new electronics that will be installed in 2020. The reconstruction of the calorimetric objects for the Run 3 and in the context of a high occupancy environment has to be adapted. The pile-up will have an impact on the energy resolution, on the determination of the direction of the particles that will produce a shower in the medium of the calorimeter, and may affect photon and electron particle identifications. The student will have to participate to the elaboration of the software algorithms for the reconstruction (cluster shape, energy measurement, impact position determination) and the particle identification. The group is engaged in the test in situ and in the commissioning of the new electronics. The student will participate to the commissioning and will have to stay frequently at CERN to work on the experiment. She/He will have to contribute to the realization of the software tools to control the calorimeters, especially the electronics in order to ensure a constant monitoring of the performances of the detector during the data taking period. She/He will have an operational activity in the pit of the experiment (shift, piquet, etc...). The candidate will have to make her/his internship in the group before starting her/his Phd.