Recherche de nouvelle physique dans les désintégrations radiatives de mésons beaux à LHCb – RadiCal

Courants neutres changeant la saveur des quarks, les désintégrations radiatives de mésons B (transitions b?q? (q=s,d)) n’interviennent dans le Modèle Standard (MS) que par des boucles. Leur faible probabilité en a fait pendant longtemps des sondes de choix pour la recherche de nouvelle physique à l’ordre des arbres. Elles furent observées et étudiées au Tevatron et usines à B sans pour autant dévier significativement des prédictions du MS. Elles servent depuis à des tests de précision aux expériences du LHC et en particulier à LHCb. L’intérêt des désintégrations radiatives s’étend également à la détermination des paramètres de mélange des quarks contenus dans la matrice de Cabbibo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Combinées à nombre d’autres observables, les mesures radiatives améliorent les contraintes sur les quelques paramètres indépendants de cette matrice, notamment à travers le rapport des éléments |Vtd/Vts|. La métrologie CKM met ainsi la cohérence du secteur des quarks à l’épreuve de l’expérience.

Une observable clef des désintégrations radiatives est la polarisation du photon. La chiralité de l’interaction faible impose des photons majoritairement gauches dans les transitions b?q?, l’amplitude droite étant supprimée par le rapport des masses de quark mq/mb. L’observation d’une polarisation droite supérieure serait un signe clair de nouvelle physique et plusieurs méthodes de mesure sont décrites dans la littérature, chacune posant des défis spécifiques tant au niveau expérimental que théorique. Celle des oscillations AGS [1] met à profit l’oscillation temporelle de l’asymétrie entre désintégrations de mésons B et B. D’un point de vue théorique, ce rapport est relativement insensible aux incertitudes QCD liées à l’hadronisation des quarks, la prédiction est donc particulièrement fiable. De plus, cette méthode s’applique à toute désintégration dont l’état final est un état propre de la symétrie CP : chaque mode permet des tests indépendants dont les résultats peuvent être combinés. Ce projet vise à atteindre la sensibilité maximale aux effets de nouvelle physique dans les oscillations AGS à partir des données enregistrées par LHCb et celles à venir au Run3. Le premier levier est l’analyse du spectre complet de masse invariante des hadrons de l’état final plutôt que la région où une seule résonance domine, avec comme conséquence une augmentation du fond et une complexité accrue de l’analyse qui consiste alors à mesurer l’asymétrie en fonction du temps et dans le diagramme de Dalitz. Le second levier est d’effectuer la mesure dans plusieurs désintégrations de mésons Bd et Bs et de combiner les valeurs des observables CP ainsi obtenues.

Le second volet du projet vise la détermination du rapport CKM |Vtd/Vts| dans les transitions favorisées et supprimées de Cabibbo (b?s? et d? respectivement). Tandis que ce rapport est extrait des désintégrations de Bd aux usines à B, l’expérience LHCb pourra proposer une mesure dans le système des Bd mais aussi dans celui difficilement accessible à Belle2 des Bs. Compte tenu des fonds, la résolution en masse du Bs est alors cruciale et une telle mesure reposera sur des échantillons de photons reconstruits comme paires e+e- plutôt que comme amas calorimétriques. La faible efficacité de reconstruction de tels photons (convertis dans la matière du détecteur) rend la mesure du mode supprimé du Bs particulièrement difficile, quand bien même l’échantillon du Run3 serait disponible. Il est donc proposé d’améliorer l’algorithme de reconstruction et de le déployer dès que possible pendant le Run3.

[1] D. Atwood, M. Gronau and A. Soni, arXiv:hep-ph/9704272