BoBo mixing meseasurement at Belle using dilepton events tagged with a soft pion

L'expérience Belle, située dans le centre de recherche du KEK, au Japon, est consacrée principalement à l'étude de la violation de CP dans le système des mésons B. Elle est placée sur le collisionneur KEKB, qui produit des paires Banti-B. KEKB, l'une des deux « usines à B » actuellement en fonction, détient le record du nombre d'événements produits avec plus de 150 millions de paires. Cet échantillon permet des mesures d'une grande précision dans le domaine de la physique du méson B. C'est dans le cadre de ces mesures de précision que s'inscrit cette analyse. L'un des phénomènes remarquables de la physique des hautes énergies est la faculté qu'a l'interaction faible de coupler un méson neutre avec son anti-méson. Dans le présent travail, nous nous intéressons au méson B neutre couplé à l'anti-méson B neutre, avec une fréquence d'oscillation _md mesurable précisément. Outre la beauté de ce phénomène lui-même, une telle mesure trouve sa place dans la quête de l'origine de la violation de CP. Cette dernière n'est incluse que d'une façon peu satisfaisante dans le modèle standard des interactions électro-faibles. C'est donc la recherche de phénomènes physiques encore inexpliqués qui motive en premier lieu la collaboration Belle. Il existe déjà de nombreuses mesures de _md antérieures. Celle que nous présentons ici est cependant d'une précision encore jamais atteinte grâce, d'une part, à l'excellente performance de KEKB et, d'autre part, à une approche originale qui permet de réduire considérablement la contamination de la mesure par des événements indésirés. Cette approche fut déjà mise à profit par d'autres expériences, dans des conditions quelque peu différentes de celles de Belle. La méthode utilisée consiste à reconstruire partiellement l'un des mésons dans le canal ___D*(D0_)l_l, en n'utilisant que les informations relatives au lepton l et au pion _. L'information concernant l'autre méson de la paire Banti-B initiale n'est tirée que d'un seul lepton de haute énergie. Ainsi, l'échantillon à disposition ne souffre pas de grandes réductions dues à une reconstruction complète, tandis que la contamination due aux mésons B chargés, produits par KEKB en quantité égale aux B0, est fortement diminuée en comparaison d'une analyse inclusive. Nous obtenons finalement le résultat suivant : _md = 0.513±0.006±0.008 ps^-1, la première erreur étant l'erreur statistique et la deuxième, l'erreur systématique.<br/><br/>The Belle experiment is located in the KEK research centre (Japan) and is primarily devoted to the study of CP violation in the B meson sector. Belle is placed on the KEKB collider, one of the two currently running "B-meson factories", which produce Banti-B pairs. KEKB has created more than 150 million pairs in total, a world record for this kind of colliders. This large sample allows very precise measurements in the physics of beauty mesons. The present analysis falls within the framework of these precise measurements. One of the most remarkable phenomena in high-energy physics is the ability of weak interactions to couple a neutral meson to its anti-meson. In this work, we study the coupling of neutral B with neutral anti-B meson, which induces an oscillation of frequency _md we can measure accurately. Besides the interest of this phenomenon itself, this measurement plays an important role in the quest for the origin of CP violation. The standard model of electro-weak interactions does not include CP violation in a fully satisfactory way. The search for yet unexplained physical phenomena is, therefore, the main motivation of the Belle collaboration. Many measurements of _md have previously been performed. The present work, however, leads to a precision on _md that was never reached before. This is the result of the excellent performance of KEKB, and of an original approach that allows to considerably reduce background contamination of pertinent events. This approach was already successfully used by other collaborations, in slightly different conditions as here. The method we employed consists in the partial reconstruction of one of the B mesons through the decay channel ___D*(D0_)l_l, where only the information on the lepton l and the pion _ are used. The information on the other B meson of the initial Banti-B pair is extracted from a single high-energy lepton. The available sample of Banti-B pairs thus does not suffer from large reductions due to complete reconstruction, nor does it suffer of high charged B meson background, as in inclusive analyses. We finally obtain the following result: _md = 0.513±0.006±0.008 ps^-1, where the first error is statistical, and the second, systematical.<br/><br/>De quoi la matière est-elle constituée ? Comment tient-elle ensemble ? Ce sont là les questions auxquelles la recherche en physique des hautes énergies tente de répondre. Cette recherche est conduite à deux niveaux en constante interaction. D?une part, des modèles théoriques sont élaborés pour tenter de comprendre et de décrire les observations. Ces dernières, d?autre part, sont réalisées au moyen de collisions à haute énergie de particules élémentaires. C?est ainsi que l?on a pu mettre en évidence l?existence de quatre forces fondamentales et de 24 constituants élémentaires, classés en « quarks » et « leptons ». Il s?agit là de l?une des plus belles réussites du modèle en usage aujourd?hui, appelé « Modèle Standard ». Il est une observation fondamentale que le Modèle Standard peine cependant à expliquer, c?est la disparition quasi complète de l?anti-matière (le « négatif » de la matière). Au niveau fondamental, cela doit correspondre à une asymétrie entre particules (constituants de la matière) et antiparticules (constituants de l?anti-matière). On l?appelle l?asymétrie (ou violation) CP. Bien qu?incluse dans le Modèle Standard, cette asymétrie n?est que partiellement prise en compte, semble-t-il. En outre, son origine est inconnue. D?intenses recherches sont donc aujourd?hui entreprises pour mettre en lumière cette asymétrie. L?expérience Belle, au Japon, en est une des pionnières. Belle étudie en effet les phénomènes physiques liés à une famille de particules appelées les « mésons B », dont on sait qu?elles sont liées de près à l?asymétrie CP. C?est dans le cadre de cette recherche que se place cette thèse. Nous avons étudié une propriété remarquable du méson B neutre : l?oscillation de ce méson avec son anti-méson. Cette particule est de se désintégrer pour donner l?antiparticule associée. Il est clair que cette oscillation est rattachée à l?asymétrie CP. Nous avons ici déterminé avec une précision encore inégalée la fréquence de cette oscillation. La méthode utilisée consiste à caractériser une paire de mésons B à l?aide de leur désintégration comprenant un lepton chacun. Une plus grande précision est obtenue en recherchant également une particule appelée le pion, et qui provient de la désintégration d?un des mésons. Outre l?intérêt de ce phénomène oscillatoire en lui-même, cette mesure permet d?affiner, directement ou indirectement, le Modèle Standard. Elle pourra aussi, à terme, aider à élucider le mystère de l?asymétrie entre matière et anti-matière.

Bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring

La collaboration CLIC (Compact LInear Collider, collisionneur linéaire compact) étudie la possibilité de réaliser un collisionneur électron-positon linéaire à haute énergie (3 TeV dans le centre de masse) et haute luminosité (1034 cm-2s-1), pour la recherche en physique des particules. Le projet CLIC se fonde sur l'utilisation de cavités accélératrices à haute fréquence (30 GHz). La puissance nécessaire à ces cavités est fournie par un faisceau d'électrons de basse énergie et de haute intensité, appelé faisceau de puissance, circulant parallèlement à l'accélérateur linéaire principal (procédé appelé « Accélération à Double Faisceau »). Dans ce schéma, un des principaux défis est la réalisation du faisceau de puissance, qui est d'abord généré dans un complexe accélérateur à basse fréquence, puis transformé pour obtenir une structure temporelle à haute fréquence nécessaire à l'alimentation des cavités accélératrices de l'accélérateur linéaire principal. La structure temporelle à haute fréquence des paquets d'électrons est obtenue par le procédé de multiplication de fréquence, dont la manipulation principale consiste à faire circuler le faisceau d'électrons dans un anneau isochrone en utilisant des déflecteurs radio-fréquence (déflecteurs RF) pour injecter et combiner les paquets d'électrons. Cependant, ce type de manipulation n'a jamais été réalisé auparavant et la première phase de la troisième installation de test pour CLIC (CLIC Test Facility 3 ou CTF3) a pour but la démonstration à faible charge du procédé de multiplication de fréquence par injection RF dans un anneau isochrone. Cette expérience, qui a été réalisée avec succès au CERN au cours de l'année 2002 en utilisant une version modifiée du pré-injecteur du grand collisionneur électron-positon LEP (Large Electron Positron), est le sujet central de ce rapport. L'expérience de combinaison des paquets d'électrons consiste à accélérer cinq impulsions dont les paquets d'électrons sont espacés de 10 cm, puis à les combiner dans un anneau isochrone pour obtenir une seule impulsion dont les paquets d'électrons sont espacés de 2 cm, multipliant ainsi la fréquence des paquets d'électrons, ainsi que la charge par impulsion, par cinq. Cette combinaison est réalisée au moyen de structures RF résonnantes sur un mode déflecteur, qui créent dans l'anneau une déformation locale et dépendante du temps de l'orbite du faisceau. Ce mécanisme impose plusieurs contraintes de dynamique de faisceau comme l'isochronicité, ainsi que des tolérances spécifiques sur les paquets d'électrons, qui sont définies dans ce rapport. Les études pour la conception de la Phase Préliminaire du CTF3 sont détaillées, en particulier le nouveau procédé d'injection avec les déflecteurs RF. Les tests de haute puissance réalisés sur ces cavités déflectrices avant leur installation dans l'anneau sont également décrits. L'activité de mise en fonctionnement de l'expérience est présentée en comparant les mesures faites avec le faisceau aux simulations et calculs théoriques. Finalement, les expériences de multiplication de fréquence des paquets d'électrons sont décrites et analysées. On montre qu'une très bonne efficacité de combinaison est possible après optimisation des paramètres de l'injection et des déflecteurs RF. En plus de l'expérience acquise sur l'utilisation de ces déflecteurs, des conclusions importantes pour les futures activités CTF3 et CLIC sont tirées de cette première démonstration de la multiplication de fréquence des paquets d'électrons par injection RF dans un anneau isochrone.<br/><br/>The Compact LInear Collider (CLIC) collaboration studies the possibility of building a multi-TeV (3 TeV centre-of-mass), high-luminosity (1034 cm-2s-1) electron-positron collider for particle physics. The CLIC scheme is based on high-frequency (30 GHz) linear accelerators powered by a low-energy, high-intensity drive beam running parallel to the main linear accelerators (Two-Beam Acceleration concept). One of the main challenges to realize this scheme is to generate the drive beam in a low-frequency accelerator and to achieve the required high-frequency bunch structure needed for the final acceleration. In order to provide bunch frequency multiplication, the main manipulation consists in sending the beam through an isochronous combiner ring using radio-frequency (RF) deflectors to inject and combine electron bunches. However, such a scheme has never been used before, and the first stage of the CLIC Test Facility 3 (CTF3) project aims at a low-charge demonstration of the bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring. This proof-of-principle experiment, which was successfully performed at CERN in 2002 using a modified version of the LEP (Large Electron Positron) pre-injector complex, is the central subject of this report. The bunch combination experiment consists in accelerating in a linear accelerator five pulses in which the electron bunches are spaced by 10 cm, and combining them in an isochronous ring to obtain one pulse in which the electron bunches are spaced by 2 cm, thus achieving a bunch frequency multiplication of a factor five, and increasing the charge per pulse by a factor five. The combination is done by means of RF deflecting cavities that create a time-dependent bump inside the ring, thus allowing the interleaving of the bunches of the five pulses. This process imposes several beam dynamics constraints, such as isochronicity, and specific tolerances on the electron bunches that are defined in this report. The design studies of the CTF3 Preliminary Phase are detailed, with emphasis on the novel injection process using RF deflectors. The high power tests performed on the RF deflectors prior to their installation in the ring are also reported. The commissioning activity is presented by comparing beam measurements to model simulations and theoretical expectations. Eventually, the bunch frequency multiplication experiments are described and analysed. It is shown that the process of bunch frequency multiplication is feasible with a very good efficiency after a careful optimisation of the injection and RF deflector parameters. In addition to the experience acquired in the operation of these RF deflectors, important conclusions for future CTF3 and CLIC activities are drawn from this first demonstration of the bunch frequency multiplication by RF injection into an isochronous ring.<br/><br/>La collaboration CLIC (Compact LInear Collider, collisionneur linéaire compact) étudie la possibilité de réaliser un collisionneur électron-positon linéaire à haute énergie (3 TeV) pour la recherche en physique des particules. Le projet CLIC se fonde sur l'utilisation de cavités accélératrices à haute fréquence (30 GHz). La puissance nécessaire à ces cavités est fournie par un faisceau d'électrons de basse énergie et de haut courant, appelé faisceau de puissance, circulant parallèlement à l'accélérateur linéaire principal (procédé appelé « Accélération à Double Faisceau »). Dans ce schéma, un des principaux défis est la réalisation du faisceau de puissance, qui est d'abord généré dans un complexe accélérateur à basse fréquence, puis transformé pour obtenir une structure temporelle à haute fréquence nécessaire à l'alimentation des cavités accélératrices de l'accélérateur linéaire principal. La structure temporelle à haute fréquence des paquets d'électrons est obtenue par le procédé de multiplication de fréquence, dont la manipulation principale consiste à faire circuler le faisceau d'électrons dans un anneau isochrone en utilisant des déflecteurs radio-fréquence (déflecteurs RF) pour injecter et combiner les paquets d'électrons. Cependant, ce type de manipulation n'a jamais été réalisé auparavant et la première phase de la troisième installation de test pour CLIC (CLIC Test Facility 3 ou CTF3) a pour but la démonstration à faible charge du procédé de multiplication de fréquence par injection RF dans un anneau isochrone. L'expérience consiste à accélérer cinq impulsions, puis à les combiner dans un anneau isochrone pour obtenir une seule impulsion dans laquelle la fréquence des paquets d'électrons et le courant sont multipliés par cinq. Cette combinaison est réalisée au moyen de structures déflectrices RF qui créent dans l'anneau une déformation locale et dépendante du temps de la trajectoire du faisceau. Les résultats de cette expérience, qui a été réalisée avec succès au CERN au cours de l?année 2002 en utilisant une version modifiée du pré-injecteur du grand collisionneur électron-positon LEP (Large Electron Positon), sont présentés en détail.

The Search for New Resonances in Strong Symmetry Breaking Scenarios with the ATLAS Detector

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances.

Mesures et analyses de la luminosité d’ATLAS grâce aux détecteurs MPX

Medipix2 (MPX) sont des détecteurs semi-conducteurs au silicium montés sur 256x256 pixels. Chaque pixel a une aire de 55x55μm2. L’aire active d’un détecteur MPX est d’environ 2 cm2. Avec deux modes de détection, un seuil et un temps d’exposition ajustables, leur utilisation peut être optimisée pour une analyse spécifique. Seize de ces détecteurs sont présentement installés dans l’expérience ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ils mesurent en temps réel le champ de radiation dû aux collisions proton-proton, au point d’interaction IP1 (Point d’Interaction 1) du LHC (Grand Collisionneur d’Hadrons). Ces mesures ont divers buts comme par exemple la mesure du champ de neutrons dans la caverne d’ATLAS. Le réseau de détecteurs MPX est complètement indépendant du détecteur ATLAS. Le groupe ATLAS-Montréal s’est intéressé à l’analyse des données récoltées par ces détecteurs pour calculer une valeur de la luminosité du LHC au point de collision des faisceaux, autour duquel est construit le détecteur ATLAS. Cette valeur est déterminée indépendamment de la luminosité mesurée par les divers sous-détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité. Avec l’augmentation de la luminosité du LHC les détecteurs MPX les plus proches du point d’interaction détectent un grand nombre de particules dont les traces sont impossibles à distinguer sur les images ("frames") obtenues, à cause de leur recouvrement. Les paramètres de mesure de certains de ces détecteurs ont été optimisés pour des mesures de luminosité. Une méthode d’analyse des données permet de filtrer les pixels bruyants et de convertir les données des images, qui correspondent à des temps d’exposition propres aux détecteurs MPX, en valeur de luminosité pour chaque LumiBlock. Un LumiBlock est un intervalle de temps de mesure propre au détecteur ATLAS. On a validé les mesures de luminosité premièrement en comparant les résultats obtenus par différents détecteurs MPX, et ensuite en comparant les valeurs de luminosité relevées à celles obtenues par les sous-détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité.