Tests of Lepton Flavour Universality with Semileptonic D and B decays at the LHCb experiment

Resumo

No Modelo Est´andar de F´ısica de Part´ıculas (SM) o acoplamento entre os lept´ons e os bos´ons gauge ´e independente da xeraci´on ´a que pertencen os lept´ons. Esta caracter´ıstica do SM ch´amase Universalidade Lept´onica de Sabor (LFU) e atopar procesos que a infrinxan poder´ıa ser un sinal de nova f´ısica (NP). Os resultados experimentais recentes en probas de LFU con transici´ons b → cℓνℓ e b → sℓℓ mostran unha tensi´on coas predici´ons te´oricas. Esta tese pretende probar LFU estudando dous procesos diferentes que implican desintegraci´ons de mes´ons D e B, utilizando os datos tomados polo experimento LHCb do CERN. O experimento LHCb est´a dese˜nado para realizar medici´ons de part´ıculas pesadas e ´e un excelente lugar para buscar evidencias indirectas de NP. O experimento recolleu datos de colisi´ons prot´on-prot´on en d´uas etapas, Run 1 (2010-2012) e Run 2 (2015-2018). A combinaci´on das d´uas mostras de datos corresponde a unha luminosidade integrada de 9 fb−1. O detector LHCb Upgrade I comezou a tomar datos en 2022, co obxectivo de acumular unha luminosidade integrada de 50 fb−1 (300 fb−1) para finais de 2030 (2040). O detector est´a programado para funcionar cunha luminosidade instant´anea de 2 × 1033 cm2 s−1, o que implica unha maior multiplicidade das colisi´ons inel´asticas de pp. O LHCb Upgrade I presenta un sistema de trigger totalmente baseado en software, o que fai que o desenvolvemento do mesmo e o dese˜no das li˜nas de trigger sexan cruciais. Nesta tese, co obxectivo de optimizar os estudos de LFU en desintegraci´ons Hb → Hcτ+ντ , onde o τ lepton ´e reconstru´ıdo pola s´ua desintegraci´on τ+ → π+π−π+ντ e Hb (Hc) ´e un hadr´on con un quark b (c), prop´o˜nense e desenv´olvense li˜nas de trigger para estes procesos. O obxectivo da primeira proba de LFU desta tese ´e medir a raz´on de fracci´on de ramificaci´on Rμ/e, definida como Rμ/e = B(D0 → K−μ+νμ)/B(D0 → K−e+νe). Os candidatos D0 son seleccionados de desintegraci´ons de D∗+ → D0π+ e o neutrino non detectado ´e contabilizado mediante dous m´etodos de reconstruci´on independentes. O valor de Rμ/e obtense como a relaci´on entre o numero das d´uas canles de sinal D0 → K−ℓ+νℓ multiplicados polas s´uas respectivas eficiencias. O valor de Rμ/e est´a cegado e resulta en x.xxx ± 0, 003 ± 0, 013, onde a primeira incerteza ´e de natureza estat´ıstica e a segunda ´e unha estimaci´on dos efectos sistem´aticos. O segundo estudo ten como obxectivo probar LFU tendo en conta as desintegraci´ons B → D(∗)0τ+ντ , onde o τ ´e reconstru´ıdo empregando desintegraci´ons τ+ → π+π−π+ντ . Os observables sensibles a LFU son as raz´ons de fracci´ons de ramificaci´on R(D0) e R(D∗0), definidas como R(D(∗)0) = B(B → ¯D(∗)0τ+ντ )/ B(B → ¯D (∗)0ℓ+νℓ). Estas m´ıdense simult ´aneamente. Para separar os decaimentos do sinal ´e de suma importancia modelar as principais contribuci´ons de fondo. Estas d´ebense a desintegraci´ons dobremente encan tadas, onde un mes´on D+ s , un D+ ou un D0 decae no v´ertice de desintegraci´on 3π. Nesta tese, proponse un modelo para controlar os decaementos inclusivos D+ s → π+π−π+(X). Este ´e un procedemento de reponderaci´on para corrixir os eventos de simulaci´on polos principais modos de decaimento D+ s → π+π−π+(X). As fracci´ons de ramificaci´on relativas obtidas do modelo concordan co PDG [1] dentro das s´uas incertezas. Finalmente, os resultados cegados para R(D0) e R(D∗0) son, respectivamente, x.xx ± 0.093 ± 0.034% e x.xx ± 0.024 ± 0.029%, onde a primeira contribuci´on ´a incerteza ´e debido ´a estat´ıstica e a segunda ´e a incerteza sistem´atica. Esta tese estrut´urase do seguinte xeito. A introduci´on aparece en Cap´ıtulo 1. As hip´oteses inf´ormanse en detalle no Cap´ıtulo 2, que informa dos principios te´oricos, e en Cap´ıtulo 3, que informa do estado experimental actual. Os obxectivos, a metodolox´ıa e os resultados da tese ab´ordanse nas secci´ons espec´ıficas dos cap´ıtulos de an´alise, Cap ´ıtulo 5 e Cap´ıtulo 6. Para a an´alise dos decaementos D0 → K−ℓ+νℓ, os obxectivos e a metodolox´ıa ind´ıcanse en Secci´on 5.1 e a os resultados aparecen en Secci´on 5.9, mentres que para o R(D(∗)0) os obxectivos e a metodolox´ıa est´an en Secci´on 6.1 e os resultados en Secci´on 6.11. Ademais, a descrici´on do detector LHCb e como se rexistran os seus datos ind´ıcase en Cap´ıtulo 4. Os detalles do detector LHCb Upgrade I e a selecci´on do trigger para a actualizaci´on do detector inf´ormanse en Cap´ıtulo 7. Finalmente, as conclusi´ons da tese aparecen en Cap´ıtulo 8 e o resumo da tese en galego no Ap´endice C. Todas as abreviaturas e acr´onimos empregados ao longo desta tese est´an listados no despois das listas de figuras e t´aboas. Finalmente, ao final do documento inf´ormase da bibliograf´ıa.