Study of the B0--> K*e+e- decay with the LHCb detector and development of a novel concept of PID detector: the Focusing DIRC
Étude de la désintégration B0-->K*e+e- avec le détecteur LHCb et développement d’un nouveau concept de détecteur PID: le FDIRC
Résumé
Flavour-changing neutral current processes of the type b-->s are forbidden at the tree level in the Standard Model (SM) and occur at leading order through radiative loop diagrams. Therefore, they are sensitive to new physics (NP), which may contribute with competing diagrams. Furthermore, the chirality of the weak interaction in the SM implies that the photon emitted has left-handed polarisation. However, a whole class of NP theories do not share this SM feature and may manifest unambiguously as a right-handed contribution to the polarisation. This thesis presents the first study of the "b-to-s-gamma" photon polarisation through an angular analysis of the B0-->K*0e+e- channel. Even though B0-->K*0e+e- is
not a radiative b-->s transition, the contribution from a virtual photon coupling to the lepton pair dominates in the low-q2 region. Furthermore, the channel with electrons rather than muons allows to better isolate the virtual photon
contribution at the low end of the q2 spectrum.
The integrated luminosity of 3fb-1 collected by LHCb during LHC Run 1 allowed for the first time to select a sample of B0-->K*0e+e- events large enough to measure the transverse asymmetries AT(2) = 0.23 ± 0.23 ± 0.05 and ATIm =0.14±0.22±0.05 in the low q2 region between 0.002 GeV2/c4 and 1 GeV2/c4.
These measurements are found to be consistent with SM predictions and provide new constraints on right handed contributions to the photon polarisation at the same level of precision as the one from the average of measurements involving radiative decays made at B-factories.
Flavour physics experiments require advanced detectors dedicated to the identification of the different flavours of charged hadrons. Most of them are based on the detection of the Cherenkov light emitted by these particles as they traverse a dielectric medium. This thesis presents also a R&D activity on a new detector concept based on the BABAR DIRC, the FDIRC. Its design is intended to operate the detector in an environment with a background two orders of magnitude larger than BABAR thanks to a faster and smaller imaging camera made of radiation-hard fused silica. The first full-scale prototype of the FDIRC was tested at the SLAC Cosmic Ray Telescope and demonstrated the feasibility of the detector concept.
Les courants neutres changeant la saveur de type b-->s sont interdits au niveau le plus bas dans le Modele Standard (MS) et ils se produisent au premier ordre à travers des diagrammes radiatif à boucle. Par conséquent, ils sont sensibles à la Nouvelle Physique (NP), qui peut contribuer de fa ̧con significative. En outre, la chiralité de l’interaction faible dans le MS implique que le photon émis a une polarisation gauche. Cependant, toute une classe de théories de NP ne partagent pas cette caractéristique du MS et pourraient se manifester sans ambiguit ́e comme une contribution droite `a la polarization.
Cette th`ese pr ́esente la première étude de la polarisation du photon provenant du processus b-->s à travers une analyse angulaire du canal B0-->K*0e+e-. Même si la desintégration B0-->K*e+e- n’est pas une transition b-->s de type radiatif,
la contribution avec un photon virtuel qui se couple à la paire de leptons domine dans la région de bas masse invariante dileptonique (q). De plus, le canal avec des électrons plutôt que des muons permet de mieux isoler cette contribution dans
la région de basses valeurs de q2. La luminosité intégrée de 3fb 1 recueillie par LHCb au cours du Run 1 du LHC a permis pour la premi`ere fois de sélectionner un échantillon d’évenements B0-->K*0e+e- assez grand pour mesurer les asymétries transverses AT(2) = 0.23 ± 0.23 ± 0.05 et ATIm = 0.14 ± 0.22 ± 0.05 dans la région de bas q2 entre 0.002GeV2/c4 et 1GeV2/c4. Ces mesures sont en accord avec les pr ́edictions du MS et ils fournissent de nouvelles contraintes sur les contributions droities à la polarisation avec le mˆeme niveau de pr ́ecision que celui fourni par la moyenne des mesures faites auprès des usines à B.
Les exp ́eriences de physique des saveurs n ́ecessitent des d ́etecteurs complexes d ́edi ́es `a l’identification des di↵ ́erents types de hadrons charg ́es. Ces d ́etecteurs sont pour la plupart bas ́es sur la d ́etection de la lumi`ere Cherenkov ́emise par ces particules lorsqu’elles traversent un milieu di ́electrique. Cette th`ese presente ́egalement une activit ́e de R&D sur un nouveau concept de d ́etecteur bas ́e sur le detecteur DIRC de l’ex ́erience BABAR : le FDIRC. Son design est destin ́e a` l’utilisation dans un environnement avec un bruit de fond deux ordres de grandeur plus grands que dans BABAR graˆce `a une camera d’imagerie plus rapide, de dimension r ́eduite et compos ́ee de silice fondue r ́esistant `a l’irrradiation. Le premier prototype `a grande ́echelle a ́et ́e test ́e au t ́el ́escope `a rayons cosmiques de SLAC et a d ́emontr ́e la faisabilit ́e du concept de d ́etecteur.