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Accueil > Thèses, Stages, Formation et Enseignement > Propositions de thèses 2023 > Mesure de l’élément Vub de la matrice CKM et recherche de nouvelle physique dans l’étude de l’universalité de la saveur leptonique avec l’expérience LHCb au CERN/Measurement of the Vub element of the CKM matrix and search for new physics in lepton flavour universality tests with the LHCb experiment at CERN

Mesure de l’élément Vub de la matrice CKM et recherche de nouvelle physique dans l’étude de l’universalité de la saveur leptonique avec l’expérience LHCb au CERN/Measurement of the Vub element of the CKM matrix and search for new physics in lepton flavour universality tests with the LHCb experiment at CERN

par Tristan Beau - 15 novembre

Titre : Mesure de l’élément Vub de la matrice CKM et recherche de nouvelle physique dans l’étude de l’universalité de la saveur leptonique avec l’expérience LHCb au CERN/Measurement of the Vub element of the CKM matrix and search for new physics in lepton flavour universality tests with the LHCb experiment at CERN

Directrice/directeur de thèse : Francesco POLCI

Co-encadrant.e : Pascal VINCENT

Groupe d’accueil :LHCb

Webpage du projet : https://lhcb.web.cern.ch/

Collaboration : LHCb

Description :

(english version below)

Des désaccords ténus, mais persistantes, entre le modèle standard (MS) de la physique des particules et les observations expérimentales, suggèrent l’existence de nouvelles lois fondamentales de la nature, qui peuvent être testées en étudiant des transitions rares des quarks beaux. Dans le MS, de telles transitions sont régies, entre autres, par la matrice de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (CKM) [1,2]. Elle relie les quarks de deux types dits « haut » et « bas ». Les éléments de cette matrice jouent un rôle central dans la compréhension du comportement de la saveur des fermions lorsqu’ils se propagent librement ou lorsqu’ils interagissent faiblement. Bien que leurs valeurs ne soient pas déterminées théoriquement, le MS prédit deux propriétés remarquables que sont, l’unitarité de la matrice et son universalité dites faible [3]. Cette dernière propriété énonce que, pour tous les quarks d’un type donné, la somme de leurs couplages aux quarks du second type soit identique. Des mesures précises des éléments de la matrice CKM sont ainsi essentielles pour confronter les prédictions théoriques. L’élément qui possède la plus grande incertitude actuelle est Vub. Et, il est à noter que, parmi les anomalies évoquées précédemment, la mesure du rapport |(Vub)⁄(|Vcb)| présente un comportement singulier selon les différentes approches expérimentales mises en œuvre ; comportements qui ne sont pas interprété théoriquement [4] ouvrant la voie à de nouvelles interprétations.

L’étude des désintégration Bs→Kμν_μ et Λb→pμν constituent deux approches pour améliorer notre connaissance de cet élément de la matrice CKM. Le premier canal est produit abondamment dans l’expérience LHCb. Les données collectées en 2012 ont permis une première mesure [5] de |(Vub)⁄(|Vcb)|, qui pourra être amélioré avec trois fois plus des données collectées de 2015 à 2018. Les nouvelles données du « run 3 » en cours de mise au point pouvant encore augmenter la statistique accumulée.

L’étude de ces canaux de désintégration des hadrons beaux offre également une voie pour confronter un autre fondement du MS qui est l’universalité des couplages faibles entre les trois familles de saveurs leptoniques dans l’état final. L’intérêt de cette étude a été accru depuis les publications de nombreux tests de l’universalité de couplages de leptoniques de saveurs différentes effectués, récemment, par l’expérience LHCb [6], [7]. Dans ces tests on observe des écarts substantiels par rapport aux prédictions théoriques, pouvant suggérer l’implication de phénomènes au-delà du modèle standard. Ces anomalies n’ont encore jamais été testées dans les transitions b→u telle que Bs→Kμν et Λb→pμν.

Le travail de pré-thèse :
Synthétiser les connaissances sur les différentes observables et prédictions théoriques dans ce domaine.
Caractériser le signal recherché à l’aide d’outils de simulations rapides disponibles au laboratoire.
Identifier les différentes contaminations provenant de signaux physiques ou combinatoires.
Rechercher des variables pertinentes pour optimiser la significativité du signal recherché.

Références :

[1] N. Cabibbo, Unitary symmetry and leptonic decays, Phys. Rev. Lett 10 (1963) 531.
[2] M. Kobayashi and T. Maskawa, CP-Violation in the renormalizable theory of weak interaction, Prog. Theor. Phys 49 (1973) 652.
[3] M. Battaglia et al., “The CKM Matrix and the Unitarity Triangle”, 2003, arXiv:hep-ph/0304132
[4] HFLAV group, “Averages of b-hadron, c-hadron, and τ-lepton properties as of 2018”, 2021, arXiv:1909.12524, Eur. Phys. J. C (2021) 81 : 226
[5] LHCb collaboration, “First observation of the decay Bs→K- μ+ ν and a measurement of |Vub |/|Vcb |”, Phys. Rev. Lett. 126 (2021) 081804
[6] LHCb collaboration, “Test of lepton universality in beauty-quark decays”, 2021, Nature Physics 18, (2022) 277-282, arXiv:2103.11769
[7] https://indico.cern.ch/event/1187939/, LHCb-PAPER-2022-039 in preparation

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Tiny but persistent discrepancies between the Standard Model (SM) of particle physics and experimental observations suggest the existence of new fundamental laws of nature, which can be tested by studying rare transitions of beauty quarks. In the SM, such transitions are governed, among other things, by the Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (CKM) matrix [1,2], connecting the quarks of two types called “up” and “down”. The elements of this matrix play a central role in understanding the role of flavor for fermions when they are freely propagating or when they are weakly interacting. Although their values are not theoretically determined, the SM predicts two remarkable properties : the unitarity of the matrix and its so-called weak universality [3]. This last property states that, for all quarks of a given type, the sum of their couplings to quarks of the second type is identical. Precise measurements of the elements of the CKM matrix are thus essential to compare the theoretical predictions. The element with the greatest uncertainty is Vub. It should be noted that, among the anomalies mentioned above, the measurement of the ratio |(Vub)⁄(|Vcb| presents a singular behavior according to the different experimental approaches implemented. This behavior is not explained theoretically [4], opening the way to new interpretations.

The decays Bs→Kμν and Λb→pμν can improve our knowledge of this element of the CKM matrix. The first channel is produced abundantly in the LHCb experiment. The data collected in 2012 allowed a first measurement [5] of |(V_ub|)⁄(|V_cb)|, which could be improved with three times more data, collected from 2015 to 2018. New data from « run 3 » can further increase the data sample.

In addition, the study of these beauty hadron decays offers a way to test another foundation of the SM, which is the universality of weak couplings to the three families of lepton flavors that could be produced in the final state. The interest of this study has increased since the publication of numerous tests of the universality of lepton couplings carried out recently by the LHCb experiment [6], [7]. In these tests, some deviations from theoretical predictions are observed, which may suggest the involvement of phenomena beyond the standard model. These anomalies have never been tested before in b→u transitions such as Bs→Kμν et Λb→pμν.

Lieu(x) de travail : LPNHE, Sorbonne Université, 4 place Jussieu, 75013, Paris

Déplacements éventuels : Pays membres de la collaboration LHCb, CERN (site de l’expérience) et lieux de conférences.

Stage proposé avant la thèse : Oui

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