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)

Exclusive trigger selections and sensitivity to the Bs-Bs mixing phase at LHCb

Fernández, Luis ; Schneider, Olivier (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3613.

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    Summary
    The LHCb experiment is one of the main experiments that will be hosted at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, in the area of Geneva, and is scheduled to start after the Summer 2007. The LHCb detector is a single-arm forward spectrometer dedicated to precise measurements of CP violation and rare decays in the b sector. The primary goal is to test the Standard Model description of flavor physics, and possibly to look for New Physics beyond it. The event rate resulting from the LHC proton collisions will be tremendous, and the production of b hadrons will be copious, thus providing the required statistics for the study of flavor physics. However, not all the events are relevant to LHCb physics program, and a dedicated trigger is required. In particular, the High-Level Trigger will take the final decision whether to accept or discard an event before sending it to permanent storage, in a limited period of time. We present in this dissertation the implementation and design of the High-Level Trigger exclusive selections, and assess their performance in selecting the b and c decays of interest, based on a full Monte Carlo simulation. The physics program of LHCb is vast, with the study of a large collection of b decays offering the possibility to investigate CP violation, and any deviation from the Standard Model. In this quest, the neutral Bs–Bs system plays a predominant role. The Bs–Bs mixing phase, denoted by φs, has not yet been measured, and represents a crucial probe of New Physics. This electroweak phase may be tested through theoretically clean b → ccs quark-level transitions to CP eigenstates, by performing a time-dependent measurement of mixing-induced CP violation. Among the Bs decays to pure CP eigenstates mediated by the b → ccs transitions, the channel Bs → ηcφ yields one of the best sensitivities to φs. We present the reconstruction and selection of Bs → ηcφ events using a full Monte Carlo simulation, and we determine the characteristics relevant to a CP violation measurement with this channel. The sensitivity of LHCb to the Bs–Bs mixing parameters is studied, using a fast parameterized Monte Carlo simulation. This simulation uses the outputs of the realistic full simulation to determine the statistical precision to the mixing observables. We consider the Bs → J/ψφ decay to an admixture of CP eigenstates requiring an angular analysis to disentangle the different CP components, as well as the Bs → ηcφ, Bs → DsDs, and Bs → J/ψη decays to pure CP eigenstates. Each of these signal samples are simultaneously fitted with a flavor-specific control sample, Bs → Dsπ, allowing the extraction of the Bs–Bs mixing frequency ΔMs. We demonstrate that the sensitivity to φs is dominated by Bs → J/ψφ events, with the statistical precision required to uncover New Physics effects. In comparison, the decays to pure CP eigenstates have an order of magnitude smaller event yields, but their contribution to the determination of φs, although small compared to Bs → J/ψφ, is non negligible.
    Résumé
    L'expérience LHCb, en cours d'installation auprès du futur grand collisionneur de hadrons LHC (Large Hadron Collider) du CERN, dans la région de Genève, commencera après l'été 2007. Le détecteur LHCb est un spectromètre à un seul bras consacré aux mesures de précision de la violation de CP et des désintégrations dans le secteur des quarks b. Le but principal est de tester la description de la physique de la saveur décrite par le Modèle Standard, ainsi que de rechercher de la nouvelle physique au-delà de ces prédictions. Le taux d'événements résultant des collisions de protons dans le collisionneur LHC sera faramineux, et la production des hadrons de type b sera copieuse, fournissant ainsi la statistique nécessaire à l'étude de la physique de la saveur. Tous les événements ne sont cependant pas pertinents pour le programme de physique de LHCb, et un système de déclenchement s'impose. En particulier, le système de déclenchement de haut niveau (HLT) prendra la décision finale quant à envoyer ou non un événement sur les disques d'enregistrement permanent, dans un temps imparti limité. Nous présentons dans ce mémoire l'implémentation et la conceptation des sélections exclusives du système de déclenchement de haut niveau, et nous évaluons leurs performances pour la sélection des désintégrations de hadrons de type b et c, sur la base d'une simulation de Monte-Carlo complète. Le programme de physique de LHCb est vaste, avec l'étude d'un large éventail de désintégrations de hadrons de type b offrant la possibilité d'investiguer la violation de CP, et toute déviation du Modèle Standard. Dans cette quête, le système neutre Bs–Bs occupe une place prédominante. La phase du mélange Bs–Bs, dénotée par φs, n'a pas encore été mesurée, et représente une sonde cruciale pour la recherche de nouvelle physique. Cette phase de l'interaction électrofaible peut être testée d'une manière théoriquement propre à l'aide des transitions de quarks du type b → ccs en des états propres de CP, par une mesure en fonction du temps de la violation de CP induite par le phénomène de mélange. Parmi les désintégrations contrôlées par les transitions b → ccs, la désintégration Bs → ηcφ offre l'une des meilleures sensibilités à la phase de mélange φs de toutes les désintégrations en des états propres purs de CP. Nous présentons la recontruction et la sélection d'évènements Bs → ηcφ sur la base d'une simulation de Monte-Carlo complète, et nous déterminons les caractéristiques pertinentes à la mesure d'une violation de CP à l'aide de ce canal. La sensibilité de LHCb aux paramètres du mélange Bs–Bs est étudiée par le biais d'une simulation rapide de type Monte-Carlo. Cette simulation s'appuie sur les résultats de la simulation complète afin de déterminer la précision statistique sur les paramètres du mélange. Nous considérons la désintégration Bs → J/ψφ en une superposition d'états propres de CP nécessitant une analyse angulaire pour permettre la distinction entre les différentes composantes de CP, ainsi que les désintégrations Bs → ηcφ, Bs → DsDs, et Bs → J/ψη en des états propres purs de CP. Chacun de ces canaux est analysé simultanément à un canal de contrôle, Bs → Dsπ, permettant l'extraction de la fréquence d'oscillation du système Bs–Bs. Nous démontrons que la sensibilité à φs est dominée par le canal Bs → J/ψφ, qui jouit de la statistique nécessaire pour mettre en évidence les effets d'une éventuelle nouvelle physique. En comparaison, les désintégrations en des états propres purs de CP ont des taux évènementiels d'un ordre de grandeur plus faible, mais leur contribution à la détermination de φs, bien que petite, est cependant non negligeable.