Rare dileptonic B0(s) meson decays at LHCb
Désintégrations rares des mesons beaux neutres en deux leptons aupres du detecteur LHCb
Résumé
The $B^0_{(s)}\rightarrow \ell\bar{\ell}$ decays are generated by Flavor Changing Neutral Currents, hence they can proceed only through loop processes. For this reason, and because of an additional helicity suppression, their branching ratios are predicted to be very small in the Standard Model (SM). Nevertheless their rates can be modified by the appearance of New Physics (NP) particles inside the loops. In SM their rates are predicted with a very small uncertainty, and from the comparison between the measured values and their theoretical prediction hints on the NP realization patterns can be inferred. A part of the original work presented in this thesis has been devoted to the optimization of the Multi Variate Analysis (MVA) classifier for the search of the $B^0_{(s)}\rightarrow\mu^+\mu^-$ with the full dataset collected at LHCb during the first run of the LHC (corresponding to an integrated luminosity of $\sim 3fb^{-1}$). This dataset has also been combined with the one collected by the CMS experiment to obtain the first observation of $B^0_s\rightarrow\mu^+\mu^-$. In view of the update of the analysis aiming to improve the sensitivity for the $B^0\rightarrow\mu^+\mu^-$ mode, a new isolation variable, exploiting a topological vertexing algorithm, has been developed and additional studies for a further optimization of the MVA classifier performances have been done.
Another original part of the work presented in this thesis concerns the definition of an analysis chain for the search of the $B^0_{(s)}\rightarrow\tau^+\tau^-$ modes, which are still largely unexplored. In this thesis the final state where both $\tau$ go into three charged $\pi$ and a $\nu_\tau$ has been studied. The presence of two $\nu$ in the final state of the decay makes the reconstruction of the $\tau$ momenta of the two $\tau$. Nevertheless the possibility of measuring the two decay vertexes of the $\tau$, as well as the $B$ candidate production vertex, allows to impose geometrical constraints that can be used in the reconstruction of the $\tau$ momenta. In particular, a new algorithm for the full reconstruction of each event of these momenta and of related variables has been presented and discussed.
Les désintégrations rares $B^0_{(s)}\rightarrow \ell\bar{\ell}$ sont générées par des courants neutres avec changement de la saveur. Pour cette raison, ainsi qu'à cause de la suppression d'hélicité, leurs taux de désintégration sont très petits dans le Modèle Standard (MS), mais la présence de particules virtuelles de Nouvelle Physique peut radicalement modifier cette prédiction. Dans le MS la prédiction théorique des taux de désintégration est très précise, et la comparaison des valeurs mesurées avec ces prédictions théoriques peuvent donner des indications sur la structure de la Nouvelle Physique. Une partie du travail original présenté dans cette thèse est dédié à l'optimisation de l'algorithme d'Analyse Multi Varié (MVA) pour la recherche de la désintégration $B^0_{(s)}\rightarrow \mu^+\mu^-$ avec l'échantillon collecté par l'expérience LHCb pendant la première période de fonctionnement du LHC. Cet échantillon a été combiné avec celui collecté par l'expérience CMS et pour la première fois la désintégration $B^0_{(s)}\rightarrow \mu^+\mu^-$ a été observée. En vue d'améliorer la sensibilité au mode $B^0\rightarrow \mu^+\mu^-$, une nouvelle variable d'isolation, qui utilise un algorithme de reconstruction topologique inclusif, a été développée. De nouvelles études ont également été menées pour augmenter la performance des analyses multivariées. Une autre partie du travail original présenté dans cette thèse concerne la définition d'une chaine de sélection pour la recherche des désintégrations $B^0_{(s)}\rightarrow \tau^+\tau^-$, qui restent encore inexplorées. Dans cette thèse l'état final où les deux $\tau$ vont en trois $\pi$ chargées et un $\tau$ est étudié. La présence des deux $\nu$ dans l'état final de la désintégration rend difficile une reconstruction des impulsions des deux $\tau$. Cependant, la possibilité de mesurer les deux vertex de désintégration des $\tau$ ainsi que le vertex d'origine du candidat B, permet d'imposer des contraintes géométriques qui peuvent être utilisées dans la reconstruction des impulsions des deux $\tau$. En particulier, un nouvel algorithme pour la reconstruction complété, événement par événement, de ces impulsions et de leurs variables associées est présenté et discuté.