Searches for effects beyond the Standard Model in semileptonic B hadron decays at LHCb

par Bogdan Kutsenko (Aix Marseille Univ, CNRS/IN2P3, CPPM, Marseille, France)

mercredi 24 sept. 2025, 14:00 → 17:00 Europe/Paris

Amphitéâtre (CPPM)

Composition du jury :

Nom	Affiliation	Rôle
Marie-Hélène SCHUNE	IJCLab CNRS, Orsay	Rapporteure
Martin JUNG	Università degli Studi di Torino, Italie	Rapporteur
Michel DE CIAN	The University of Manchester, Royaume-Uni	Examinateur
Eric KAJFASZ	CPPM CNRS, Marseille	Président du jury
Anton POLUEKTOV	CPPM CNRS, Marseille	Directeur de thèse
Dorothea VOM BRUCH	CPPM CNRS, Marseille	Codirectrice de thèse

 

Résumé :

Les désintégrations semi-leptoniques des hadrons $B$ constituent des outils puissants pour tester le modèle standard (SM) de la physique des particules. Dans le SM, les interactions des bosons électrofaibles avec les leptons sont indépendantes de la saveur des leptons. Cependant, l'interférence entre l'interaction faible chargée du modèle standard et les courants hypothétiques de la nouvelle physique (NP) peut entraîner une violation de l'universalité de la saveur des leptons (LFU). L'étude des canaux de désintégration avec différentes saveurs de leptons dans l'état final permet non seulement de tester la LFU en mesurant le rapport des fractions de branchement ou les différences dans les observables angulaires, mais aussi de caractériser les courants NP potentiels en extrayant le couplage fondamental correspondant à l'aide de techniques d'analyse angulaire. Les distributions des observables angulaires sont bien définies comme une combinaison linéaire de fonctions angulaires, dont les coefficients angulaires dépendent des couplages fondamentaux et peuvent être extraits de l'ajustement. Par conséquent, les mesures des coefficients angulaires sont sensibles à diverses contributions NP au lagrangien. Cependant, l'analyse souffre de biais importants dus à la reconstruction des neutrinos et aux efficacités non linéaires des détecteurs. Cette thèse présente une étude des désintégrations semi-leptoniques des mésons $B$, en se concentrant sur les observables angulaires des désintégrations $B^0 \rightarrow D^{*-} \ell^+ \nu_\ell$ avec $\ell = e, \mu$, en utilisant les données de l'expérience LHCb collectées entre 2016 et 2018 lors du Run 2. Les valeurs aveugles, c’est-à-dire décalées et multipliées par un facteur aléatoire inconnu, pour un ensemble complet de 12 coefficients angulaires par lepton sont extraites dans deux bins de la masse invariante au carré du système $\ell \nu_\ell$ : faible $q^2 \in [0, 4]~GeV^2/c^4$ et élevé $q^2 \in [4, 8]~GeV^2/c^4$.

De plus, les désintégrations semi-leptoniques où le méson final est un pseudo-vecteur plutôt qu'un vecteur sont également étudiées, sur la base des données du Run 2, offrant une approche complémentaire pour sonder les effets potentiels des particules non conventionnelles. En particulier, cette thèse présente une analyse simplifiée de l'amplitude des désintégrations $B_s^0 \to D_{s1}(2536)^+ \to D_s^+ \pi^+ \pi^-$, et $B \to D_{s1}(2460)^+ D^{(*)}$,  avec $D_{s1}(2460)^+ \to D_s^+ \pi^+ \pi^-$ et où le méson $D^{(*)}$ se désintègre ensuite de manière semi-leptonique en un muon. L'analyse révèle que les schémas de désintégration observés ne peuvent s'expliquer par les composantes scalaires et tensorielles dans le canal $\pi^+ \pi^-$, ce qui suggère une interprétation moléculaire $(D^* K)$ de l'état $D_{s1}(2460)^+$.

Pour le Run 3 d'expérience LHCb, les analyses présentées dans le canal semi-leptonique bénéficieraient de statistiques plus importantes et d'une réduction des incertitudes systématiques liées au détecteur. L'un des facteurs clés pour la sélection des événements en temps réel et la reconstruction hors ligne est l'algorithme de reconstruction du vertex primaire (PV), qui est l'emplacement de la collision proton-proton ou proton-gaz à cible fixe, pour la Run 3 d'expérience LHCb et le système SMOG2. Le système SMOG2 (System for Measuring Overlap with Gas) de LHCb permet l’injection contrôlée de gaz noble dans une cellule cible située dans la région du détecteur, afin de produire des collisions proton-gaz en mode cible fixe. Cette thèse détaille l'amélioration de l'algorithme de reconstruction du PV, qui permet des mesures précises de la physique des saveurs. L'outil de surveillance de la résolution du PV en temps réel est présenté afin de contrôler les performances de l'algorithme de reconstruction du PV sur les données.

Abstract :

 

Semileptonic B hadron decays provide powerful probes for testing the Standard Model (SM) of particle physics. In the SM, the interactions of electroweak bosons with leptons are independent of the lepton flavour. However, interference between the Standard Model charged weak interaction and hypothetical New Physics (NP) currents can result in violation of this lepton flavour universality (LFU). Study of decay channels with different lepton flavours in the final state not only allows to test LFU by measuring the ratio of branching fractions or differences in angular observables, but also allows to characterize potential NP currents by extracting corresponding fundamental couplings by using angular analysis techniques. In particular, for $B^0 \rightarrow D^{*-} \ell^+ \nu_\ell$ decays, theoretically clean angular observables can be constructed. Distributions of angular observables are well defined as a linear combination of angular functions, whose angular coefficients depend on fundamental couplings and can be extracted from a fit. Therefore, measurements of angular coefficients are sensitive to a variety of NP contributions to the Lagrangian. However, the analysis suffers from heavy biases due to neutrino reconstruction and non-linear detector efficiencies. This thesis presents a study of semileptonic decays of B mesons, focusing on the angular observables of the decays $B^0 \rightarrow D^{*-} \ell^+ \nu_\ell$ with $\ell = e, \mu$, using data from the LHCb experiment collected from 2016-2018 in Run 2. Blinded values for a full set of 12 angular coefficients per lepton are extracted in two bins of the squared invariant mass of the $\ell \nu_\ell$  system  : low $q^2 \in [0, 4]~GeV^2/c^4$ and high $q^2 \in [4, 8]~GeV^2/c^4$.

Additionally, semileptonic decays where the final state meson is a pseudovector rather than a vector are also investigated, based on LHCb Run 2 data, offering a complementary approach to probing potential NP effects. In particular, this thesis presents a simplified amplitude analysis of the decays $B_s^0 \to D_{s1}(2536)^+ \to D_s^+ \pi^+ \pi^-$, and $B \to D_{s1}(2460)^+ D^{(*)}$, with $D_{s1}(2460)^+ \to D_s^+ \pi^+ \pi^-$ where $D^{(*)}$ meson decays semileptonically into a muon. The analysis reveals that the observed decay patterns cannot be explained by scalar and tensor components in the $\pi^+ \pi^-$ channel, hinting at the molecular $(D^* K)$  interpretation of the $D_{s1}(2460)^+$ state. 

For Run 3 of the LHCb experiment, the presented analyses in the semileptonic channel would benefit from larger statistics and reduced detector-related systematic uncertainties. One of the key factors for both real-time event selection and offline reconstruction is the algorithm for reconstructing the Primary Vertex (PV), which is the location of the proton-proton or fixed-target proton-gas collision— for Run 3 of the LHCb experiment and the SMOG2 system. The SMOG2 system (System for Measuring Overlap with Gas) at LHCb allows the controlled injection of noble gas into a target cell located in the detector region, in order to produce proton–gas collisions in fixed-target mode. This thesis details the improvement of the PV reconstruction algorithm. The real-time PV resolution monitoring tool is introduced to monitor PV reconstruction algorithm performance on data.

Lien Zoom :
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