Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de l'énergie et des particules IPEP (Laboratoire de physique des hautes énergies 1 LPHE1)

Contribution to the development of the LHCb acquisition electronics and study of polarized radiative [lambda]b decays

Legger, Federica ; Bay, Aurélio (Dir.) ; Schietinger, Thomas (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3602.

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    Summary
    LHCb is one of the four main experiments that will take place at the future Large Hadron Collider at CERN. The data taking is foreseen to start in 2007. The LHCb detector is a forward single-arm spectrometer dedicated to precision measurements of CP violation and rare decays in the b-quark sector. The goal is to over-constrain the Standard Model (SM) and – hopefully – to exhibit inconsistencies which will be a signal of new physics beyond. Building such a large experiment as LHCb is a big challenge, and many contributions are needed. The Lausanne institute is responsible for the development of a common "off-detector" readout board (TELL1), which provides the interface to the copper and optical links used for the detector readout, and outputs them to the data acquisition system, after performing intensive processing. It performs: event synchronization, pedestal calculation and subtraction, common mode subtraction and monitoring, zero suppression. The TELL1 board will be used by the majority of the LHCb subdetectors. We present here a contribution to the R&D necessary for the realization of the final board. In particular the feasibility of a mixed architecture using DSP and FPGA technologies has been studied. We show that the performance of this architecture satisfies LHCb electronics requirements at the time of the study (2002). Within the rich LHCb physics program, b → sγ transitions represent an interesting sector to look for evidence of physics beyond the SM. Even if the measured decay rate is in good agreement with the SM prediction up to now, new physics may still be hidden in more subtle observables. One of the most promising is the polarization of the emitted photon, which is predicted to be mainly left-handed in the SM. However right-handed components are present in a variety of new physics models. The photon polarization can be tested at LHCb by exploiting decays of polarized b baryons. If the initial baryon is polarized, asymmetries appear in the final states angular distributions, which can be used to probe the chirality of the effective Hamiltonian, and possibly to unveil new sources of CP violation. We present a phenomenological approach to the study of radiative decays of the type Λb → Λ(X)γ, where Λ(X) can be any Λ baryon of mass X. Calculations of the angular distributions are carried out employing the helicity formalism, for decays which involve Λ baryons of spin 1/2 and 3/2. Finally, detailed simulation studies of these channels in the LHCb environment allow us to assess the LHCb sensitivity to the photon polarization in b → s transitions.
    Résumé
    L'expérience LHCb sera installée auprès du futur accélérateur LHC (Large Hadron Collider) du CERN et commencera en 2007. Il s'agit d'un spectromètre à un bras consacré aux mesures de précision de la violation CP et de désintégrations rares impliquant le quark b. Cela permettra de tester avec précision le Modèle Standard et, peut-être, de mettre en évidence des incohérences qui seraient une trace d'une physique au-delà de ce modèle. Réaliser une grande expérience telle que LHCb est un grand défi, et beaucoup de contributions sont nécessaires. Le Laboratoire de Physique des Hautes Energies de Lausanne est responsable du développement d'une carte d'acquisition des données hors-détecteur (TELL1), qui fournit l'interface aux signaux optiques et électriques utilisés pour la lecture du détecteur, et les transmet au système d'acquisition de données, après avoir effectué des calculs intensifs. Ceci inclut : synchronisation, filtrage des signaux, calcul et soustraction des piédestaux, soustraction et contrôle du bruit commun, suppression des zéros. La carte TELL1 sera employée par la majorité des sous-détecteurs de LHCb. Nous présentons ici une contribution au R&D nécessaire pour la réalisation du projet final. En particulier la faisabilité d'une architecture qui utilise à la fois des technologies DSP et FPGA a été étudiée. Nous prouvons que les performances de cette architecture répond aux exigences pour l'électronique de LHCb au moment de l'étude (2002). Dans le riche programme de physique de LHCb, les transitions b → sγ représentent un secteur intéressant pour rechercher des signes de physique au-delà du Modèle Standard. Même si le taux de désintégrations mesuré est en bon accord avec les prévisions théoriques jusqu'ici, de la nouvelle physique peut encore se cacher dans des observables plus subtiles. Une des plus prometteuses est la polarisation du photon émis, que le Modèle Standard prédit être principalement gauche. Des composantes droites sont présentes dans plusieurs nouveaux modèles théoriques. La polarisation du photon peut être mesurée à LHCb par l'exploitation des désintégrations des baryons polarisés contenant un quark b. Si le baryon initial est polarisé, des asymétries apparaissent dans les distributions angulaires des états finaux, qui peuvent être employées pour sonder la chiralité de l'Hamiltonien effectif, et dévoiler des nouvelles sources de violation de CP. Nous présentons une approche phénoménologique à l'étude de désintégrations radiatives du type Λb → Λ(X)γ, où Λ(X) peut être n'importe quel baryon Λ de masse X. Des calculs des distributions angulaires sont effectués en utilisant le formalisme d'hélicité, pour des désintégrations de baryons Λ avec spin 1/2 et 3/2. Enfin, des simulations détaillées de ces canaux dans le cadre de l'expérience LHCb nous permettent d'évaluer la sensibilité de LHCb à la polarisation du photon émis dans les transitions b → s.