Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de l'énergie et des particules IPEP

B°s -> J/[psi] [eta] decays and sensitivity to the B°s mixing at LHCb

Carron, Benjamin ; Tran, Minh Tâm (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3376.

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    Summary
    The LHCb experiment will be installed in the proton-proton Large Hadron Collider (LHC) at CERN, Geneva. The detector is a single arm spectrometer currently under construction: LHC running and LHCb data taking will start in 2007. LHCb will then benefit from the prolific source of B-mesons provided by the LHC. The main goals of the LHCb experiment are to measure the CP asymmetries in the B-meson sector and to study rare decays of b-hadrons. These will extend the measurements presently made with B0d mesons by the Belle (Japan) and BABAR (USA) experiments. The expected accuracy on the comprehensive measurements with both B0d and B0s mesons will allow to open new windows on physics beyond the Standard Model. The Standard Model of particle physics (SM) provides the framework for the description of a possible violation of the CP symmetry in the neutral B-meson sector. In particular, it predicts an asymmetry due to CP violation in the time dependent rates for B0d,s and B0d,s to a common CP eigenstate when this transition is dominated by the subprocess b → ccs: this is due to the interference between the decay and the mixing of these neutral mesons. In this case, the CP violation is directly related to sin (Φd,s) where Φd,s is the B0d,s weak mixing phase. The B0s meson system can be used for the measurement of such an asymmetry. However it requires hadron machines and high luminosities to compensate the low branching ratio to CP eigenstates. In contrary to the "golden channel" B0s → J/Ψ Φ which demands an angular analysis to distinguish the different CP eigenstates contributions, the J/Ψ η final state is a pure CP-even eigenstate. This channel can therefore provide an excellent probe to the Φs phase. The reconstruction and performances of this decay mode will be detailed in this dissertation. They are performed with a full Monte Carlo simulation. An annual yield of about 9'000 events for the B0s → J/Ψ(μ+ μ–) η(γ γ) channel and 3000 for the B0s → J/Ψ(μ+ μ–) η(π+ π– π0) decay will be collected with a background-to-signal ratio smaller than 3. The mass and proper time resolutions are quite limited due to the electromagnetic calorimeter photon reconstruction low quality. Hopefully they can be improved by the application of a Kalman Filter fit. The sensitivity of the LHCb experiment to the weak mixing phase Φs has been determined with a toy Monte Carlo. This simulation uses the B0s → J/Ψ η decay channels enriched by the B0s → ηc Φ pure CP eigenstate channel. It takes into account the event-by-event proper time error, the time-dependent selection efficiency, the B/S ratio, the tagging efficiencies and the reconstruction performances of each decay channel. The combined sensitivity to Φs is found to be 0.068 rad when the SM prediction for this phase is Φs ≃ –0.04 rad. These results have been finally compared to the B0s → J/Ψ Φ channel, whose sensitivity to Φs reaches 0.031 rad with a annual yield of 125'000 events. The combined sensitivity of all these channels then increases to 0.028 rad. The contribution of the pure CP eigenstates is estimated to ~ 17%. Even with much smaller statistics, the pure CP eigenstate decay channels provide a non-negligible contribution to the determination of the B0s weak mixing phase Φs.
    Résumé
    L'expérience LHCb sera construite sur le futur grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, à Genève. Le détecteur est un spectromètre à un seul bras actuellement en construction : la mise en route du LHC et la prise de données de LHCb débutera en 2007. LHCb profitera alors de l'abondante source de mésons beaux produits par le LHC. Les principaux objectifs de l'expérience LHCb sont de mesurer précisément les asymétries CP dans le secteur des mésons B et d'étudier les désintégrations rares des hadrons beaux. Cela étoffera les mesures déjà collectées par les expériences Belle (au Japon) et BABAR (aux Etats-Unis) à partir de mésons B0d. Les précisions attendues sur les mesures complètes des B0d et B0s permettront d'ouvrir de nouvelles perspectives concernant la physique au-delà du Modèle Standard. Le Modèle Standard de la physique des particules fournit le cadre à une description de la violation de la symétrie CP dans le secteur des mésons B. Une propriété remarquable de ce système est sa capacité à apparier le méson neutre à son anti-particule. Ce mélange B0d,s – B0d,s est à l'origine de la violation de CP autour de laquelle est construite cette thèse. La violation de CP vient d'une phase irréductible dans la matrice de mélange des quarks de l'interaction faible (matrice de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)). Le Modèle Standard prédit en particulier une violation de la symétrie CP dans les taux de désintégration dépendants du temps des B0d,s et B0d,s en un état final commun état propre de CP. Quand la transition est dominée par le processus b → ccs, la violation de CP est directement liée à sin(Φd,s) où Φd,s est la phase faible de mélange des B0d,s. Le système de mésons B0s est particulièrement sensible à ces effets mais nécessite de hautes énergies (collisionneurs hadroniques) et une grande luminosité pour récolter un nombre suffisant de données pour les canaux de désintégration étudiés. Le LHC fournira ces deux éléments essentiels. Contrairement au B0s → J/Ψ Φ, le "canal doré", qui a besoin d'une analyse angulaire pour permettre la distinction des composantes de différents états propres de CP, l'état final J/Ψ η est un état propre de CP. C'est pourquoi ce canal peut permettre une excellente estimation de la phase Φs. La reconstruction et les performances de ce mode de désintégration seront détaillées dans ce mémoire. Elles ont été calculées grâce à une simulation de Monte-Carlo complète du détecteur et des interactions des particules avec la matière. Environ 9'000 événements pour la désintégration B0s → J/Ψ(μ+ μ–) η(γ γ) et 3000 événements pour le canal B0s → J/Ψ(μ+ μ–) η(π+ π– π0) seront collectés chaque année avec un rapport bruit-sur-signal plus petit que 3. La résolution en masse et en temps propre est plutôt limitée à cause de la faible qualité de reconstruction des photons du calorimètre électromagnétique. Heureusement les déterminations de la masse et du temps propre peuvent être améliorées à l'aide d'un ajustement du genre "filtre de Kalman". La sensibilité de l'expérience LHCb à la phase de mélange faible Φs a ensuite été déterminée avec un Monte-Carlo simplifié. Cette simulation utilise les canaux décrits plus haut en y ajoutant le B0s → ηc Φ, une désintégration en un état propre de CP. Elle prend en compte l'erreur en temps propre événement par événement, l'efficacité de sélection dépendante du temps, le rapport B/S, les efficacités d'étiquetage et les performances de reconstruction de chaque canal de désintégration. La sensibilité combinée à Φs a été estimée à 0.068 rad, alors que la prédiction du Modèle Standard pour Φs est de Φs ≃ –0.04 rad. Ces résultats ont finalement été comparés avec ceux du canal B0s → J/Ψ Φ, pour qui la sensibilité à Φs atteint 0.031 rad avec un taux annuel de 125'000 événements. Tous ces canaux mis ensemble permettent d'augmenter la sensibilité à 0.028 rad. La contribution des désintégrations en un état propre de CP est estimée à ~ 17%. Même avec une statistique plus faible, les désintégrations en un état propre de CP apportent une contribution non négligeable à la détermination de la phase faible de mélange Φs des mésons B0s.