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Université Paris Sud - Paris XI (19/07/2010), Michel Davier, Sébastien Descotes-Genon (Dir.)
Mesures précises de sections efficaces e^+e^− → Hadrons : tests du Modèle Standard et applications en QCD
B. Malaescu1
(19/07/2010)

Le Modèle Standard (MS) de la physique de particules avec les théories de jauge pour les interactions forte et électrofaible n'a pas encore été mis en défaut par les données expérimentales. Dans les recherches de nouvelle physique, au delà du MS, deux approches sont en général suivies : les recherches exploratoires à la frontière de haute énergie et des tests de précision à des énergies plus basses. Le but de cette thèse est dans le cadre de la deuxième approche, d'obtenir et utiliser des données précises des annihilations e+e− en hadrons, à des énergies de l'ordre 1 GeV. Ces données représentent un ingrédient important pour les tests du MS impliquant la polarisation du vide, comme par exemple la comparaison du moment magnétique du muon avec la théorie, ainsi que pour des tests de QCD et applications. Les différentes parties de cette thèse décrivent quatre aspects de mon travail dans ce contexte. (1) Les mesures de sections efficaces en fonction de l'énergie nécessitent la déconvolution des spectres de données des effets de détecteur. Je propose une nouvelle méthode itérative de déconvolution des données expérimentales, qui présente des améliorations par rapport aux outils existants. On peut déconvoluer, d'une manière dynamiquement stable, des spectres de données qui peuvent être fortement affectées par des fluctuations dans la soustraction du bruit de fond, et simultanément reconstruire des structures qui n'étaient pas initialement simulées. (2) Le coeur expérimental de cette thèse est constitué par l'étude du processus e+e− en K+K−, du seuil jusqu'à 5 GeV, utilisant la méthode de rayonnement dans l'état initial (ISR), par la mesure de e+e− en K+K− gamma avec le détecteur BABAR. Toutes les efficacités utiles sont mesurées utilisant les données expérimentales, et la normalisation absolue est fournie par la mesure simultanée du processus mu mu gamma. J'ai effectué l'analyse complète où une incertitude systématique de 0.7 % a été obtenue sur la résonance dominante, phi. Le facteur de forme du kaon chargé a été mesuré. Il présente une décroissance rapide au delà du phi et des structures distinctes dans la région 1.7-2.5 GeV, où on connaît l'existence de résonances de type vecteur. La dépendance en énergie, à haute masse, est comparée à la prédiction de QCD. On présente aussi les résultats du canal e+e− en pi+pi− , du seuil jusqu'à 3 GeV, pour lequel j'ai effectué la déconvolution des effets de détecteur et j'ai obtenu les résultats finals qui sont comparés avec les données existantes. (3) La prédiction pour le moment magnétique du muon (exprimée par l'intermédiaire de son 'anomalie', i.e. la déviation par rapport à la valeur de Dirac pour le rapport gyromagnétique égale à 2) est calculée dans le cadre su MS. Notre travail concerne seulement la contribution de polarisation hadronique du vide, obtenue à partir des données e+e− par une intégrale de dispersion. Comme la même information peut en principe être obtenue avec des données sur les désintégrations hadroniques du tau, on fait d'abord la mise à jour de la comparaison entre les utilisations des deux sources de données, et on trouve une différence réduite entre les évaluations correspondantes. Le nouveau résultat basé sur les données tau s'écarte de 1.9 déviations standard de la mesure directe. En suite, les nouvelles données précises de BABAR sont inclues dans une analyse combinée utilisant des outils (avec une procédure d'interpolation et moyennage de données améliorée, une propagation des incertitudes plus rigoureuse et une validation systématique) que j'ai développés. Avec les nouvelles données, le désaccord entre les résultats basés sur des données e+e− et tau pour le mode dominant 2 pi est réduit davantage, du 2.4 sigma précédent à 1.5 sigma, dans l'intégrale de dispersion, bien que des différences locales significatives entre les spectre persistent encore. Nous obtenons l'évaluation basée sur des données e+e− a_μ^had LO = (695.5 +- 4.1)*10^-10, où l'incertitude prend en compte toutes les sources. L'incertitude la plus grande pour la prédiction du MS est encore due à la polarisation hadronique du vide, mais elle est maintenant plus petite que l'erreur expérimentale. La comparaison actuelle entre la mesure directe et notre prédiction (basée sur les données e+e−) montre une indication intéressante de nouvelle physique (un effet à 3.2 sigma). (4) Les règles de somme de QCD sont des outils puissants pour obtenir des informations précises sur les paramètres de QCD, comme la constante de couplage fort α_S. Cette étude devrait faire usage de la mesure complète de e+e− en hadrons jusqu'à environ 2 GeV. Comme BABAR n'a pas encore mesuré complètement tous les processus hadroniques, j'ai travaillé sur une situation similaire utilisant les fonctions spectrales des désintégrations hadroniques du tau, mesurées par ALEPH. Je discute en détail la prédiction de QCD perturbatif, obtenue avec deux méthodes différentes : la théorie de perturbations à ordre fixe (FOPT) et la théorie de perturbations avec intégration de contour améliorée (CIPT). Les incertitudes théoriques correspondantes sont étudiées aux échelles de masse du tau et respectivement du Z. On trouve que la méthode CIPT est plus stable par rapport aux contributions manquantes d'ordre supérieur et par rapport à des changements de l'échelle de renormalisation. Il est également montré que FOPT souffre à cause de problèmes de convergence le long du contour d'intégration. La fiabilité d'une classe de modèles pour la fonction d'Adler, basée sur des renormalons, est étudiée dans le contexte de la comparaison entre CIPT et FOPT. On trouve que ces modèles ne sont pas suffisamment contraints pour qu'ils puissent identifier la meilleure méthode à utiliser pour la détermination de α_S(m_τ^2). La détermination de αS est mise à jour et une valeur très précise pour α_S(m_τ^2) est obtenue en utilisant CIPT (0.344 +- 0.005 (exp) +- 0.007 (th)). Une fois évoluée à la masse du Z, cette valeur est en accord avec α_S(m_Ζ^2) mesurée directement à partir de la largeur du Z. Ce résultat représente le test le plus précis du running de α_S en QCD.
1 :  LAL - Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire
Physique/Physique des Hautes Energies - Expérience
ISR – g-2 – alpha_S – unfolding
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