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20 novembre 2013 Soutenance HDR Vincent Poireau 1 RAPPORTS D'EMBRANCHEMENT ET RÉSONANCES DANS BABAR ET FLUX COSMIQUE DE POSITONS DANS AMS.

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1 20 novembre 2013 Soutenance HDR Vincent Poireau 1 RAPPORTS D'EMBRANCHEMENT ET RÉSONANCES DANS BABAR ET FLUX COSMIQUE DE POSITONS DANS AMS

2 Lexpérience BaBar Introduction Rapports dembranchement Mesure Analyse disospin Mesure de sin 2 et cos 2 Étude des résonances Les résonances charmoniums Les résonances cs Lexpérience AMS Introduction Mesure de la fraction de positons Projet de recherche sur la mesure du flux de positons 2 Vincent Poireau

3 Thèse sur DELPHI, CEA ( ) Post-doc sur CMS, CERN ( ) Entrée au CNRS/LAPP sur BaBar (2003) Expatriation à SLAC ( ) Collaboration à AMS (2012) Principales responsabilités scientifiques Système de contrôle de la chambre à fils de BaBar ( ) Coordinateur général de la prise de données de BaBar (2006) Chambre à fils de BaBar ( ) Coordinateur du groupe de physique BaBar « Désintégrations des mésons B en particules charmées » ( ) Calcul au ccin2p3 pour BaBar (2008-) et AMS (2013-) Publication board de BaBar ( ) Encadrement 2 étudiants en Master 1, 1 étudiant en Master 2 + thèse, 1 postdoc 3 Vincent Poireau

4 4

5 5 e - 9 GeV e + 3,1 GeV Luminosité instantanée : L = 12, cm -2 s -1 Section efficace effective Énergie dans le centre de masse: 10,58 GeV e + e - ( 4S ) (bb) BB

6 6 Détecteur de vertex à silicium Reconstruction précise des vertex, dE/dx Détecteur Cherenkov Identification, K/ Retour de champ instrumenté Identification, détection des hadrons neutres 9 GeV e - Chambre à fils Impulsion, dE/dx Solénoïde 1,5 T 3,1 GeV e + Calorimètre électromagnétique Identification des 0,, e -, détection des hadrons neutres Lexpérience stoppée en 2008, enregistrant 553 fb -1

7 7 Vincent Poireau Plus de 530 publications ! Violation de CP Observation et multiples contraintes sur le triangle dunitarité Violation de T Première observation (à 14 ), conforme à ce qui est attendu pour linvariance CPT Oscillations des mésons D 0 Recherche de nouvelle physique (NP) Nombreux canaux sensibles à la NP (diagrammes à une boucle ou diagrammes pingouins) La plupart des mesures compatibles avec le modèle standard Tension (3,4 ) avec le MS dans B D (*) - Découverte de nombreuses résonances Résultats 2010 (avant LHCb)

8 Vincent Poireau 8 Introduction Mesure des rapports dembranchement Analyse disospin Mesure de sin 2 et cos 2

9 B D (*) D (*) K : 22 états finals possibles Proviennent de la transition b ccs 9 Vincent Poireau Multiples intérêts Contribution importante aux désintégrations des B Contribution au problème du taux de charme Tester les relations disospin Mesure de sin 2 et cos 2 Contiennent de nombreuses résonances Diagramme supprimé de couleur 1/N c 2

10 Taux de charme nombre de hadrons charmés par désintégration de B Relation entre le taux de charme et le taux de désintégration semi-leptonique B X l l Pendant longtemps, désaccord théorique de ces deux valeurs expérimentales Contribution b ccs pensée alors comme provenant principalement de B D s X, B (cc)X et B c X 1994 : contribution supplémentaire nécessaire pour b ccs B D (*) D (*) K (X) prédits non négligeables Confirmé par CLEO (1997), ALEPH (1998) et BaBar (2003) 10 Vincent Poireau

11 11 Introduction Mesure des rapports dembranchement Analyse disospin Mesure de sin 2 et cos 2

12 Totalité des données BaBar : 429 fb -1, N BB = (470,9 ± 0,1 ± 2,8) 10 6 Reconstruction exclusive D 0 K - +, D 0 K - + 0, D 0 K (26 %) D + K (9 %) D *+ D 0 +, D + 0 (98 %) D *0 D 0 0, D 0 (100 %) K 0 s + - (69 %) 112 états finals à reconstruire, par exemple : B + D 0 D 0 K + K + K + K traces chargées B 0 D *- D *+ K 0 K + K traces chargées B 0 D *0 D *0 K 0 K + K traces chargées, 4 photons Sélection des mésons D (*) et K Masse, énergie des produits de désintégration, vertex, identification des particules, … 12 Vincent Poireau

13 Sélection du méson B Variables topologiques pour supprimer e + e - qq ( q=u, d, s, c ) ΔE et m ES ΔE = différence entre lénergie du B et lénergie du faisceau pic à zéro Sélection sur ΔE pic à la masse du B Distribution m ES après la sélection complète Pour chaque mode : extraction du signal et des rapports dembranchement grâce aux fits des distributions m ES Vincent Poireau Somme de tous les modes neutres Somme de tous les modes chargés

14 Signal 14 Vincent Poireau MC D *0 D 0 K + Comprendre les différentes contributions et leur forme en m ES Illustration : B + D *0 D 0 K +

15 Signal Cross-feed Ce sont des événements dun certain mode D (*) D (*) K reconstruits à tort dans un autre mode D (*) D (*) K D *+ D *0, D *0 D 0 D 0 D *0, D *0 D 0 Contribution non négligeable pour certains modes 15 Vincent Poireau Comprendre les différentes contributions et leur forme en m ES Illustration : B + D *0 D 0 K + MC D (*) D (*) K sauf D *0 D 0 K + Ici, cross-feed principalement de B + D 0 D *0 K + Signal

16 Cross-feed Bruit de fond combinatoire e + e - bb (90 %) + e + e - qq (q=u, d, s, c) (10 %) Fitté sur les données 16 Vincent Poireau Comprendre les différentes contributions et leur forme en m ES Illustration : B + D *0 D 0 K + Signal Cross-feed

17 Signal Cross-feed Bruit de fond combinatoire Bruit de fond piqué Bruit de fond combinatoire piquant en m ES 17 Vincent Poireau Comprendre les différentes contributions et leur forme en m ES Illustration : B + D *0 D 0 K + MC e + e - qq Contribution piquante Signal Cross-feed

18 Signal Cross-feed Bruit de fond combinatoire Bruit de fond piqué Fit total 18 Vincent Poireau Comprendre les différentes contributions et leur forme en m ES Illustration : B + D *0 D 0 K + Signal Cross-feed BdF piqué

19 19 Vincent Poireau Fit total Signal Cross-feed Bdf piqué Bdf comb.

20 20 Vincent Poireau Fit total Signal Cross-feed Bdf piqué Bdf comb.

21 Méthode classique : Efficacité ε : utilisation du MC D (*) D (*) K non résonant espace des phases plat dans le plan de Dalitz Les événements B D (*) D (*) K contiennent de nombreuses résonances, certaines imparfaitement connues Efficacité résonance efficacité non résonant Car efficacité non plate dans le plan de Dalitz Méthode utilisée Mesure des rapports dembranchement valide quelque soit le contenu en résonances Utilisation de lefficacité à la position de lévénement dans le plan de Dalitz + pondération du signal par cette efficacité 21 Vincent Poireau Données plan de Dalitz Efficacité plan de Dalitz

22 Comment isoler la contribution du signal ? Utilisation de la méthode statistique sPlot sPlot (Pivk et Le Diberder) Poids calculé événement par événement qui classifie en catégories (signal et bruit de fond) Poids basé sur la matrice de covariance et les PDFs du fit m ES Calcul rapports dembranchement Nombre de signal corrigé de lefficacité : w S (i) poids sPlot pour le signal pour lévénement i ε i efficacité à la position dans le plan de Dalitz de lévénement i Rapports : 22 Vincent Poireau

23 23 Vincent Poireau SignalBdf piqué Cross-feed Rapport demb Signific. Observé pour la première fois avec >5 Évidence pour la première fois avec >3 Observation de modes supprimés de couleur

24 Somme des rapports dembranchement BF(B 0 D (*) D (*) K) = (3,68 ± 0,10 ± 0,24) % BF(B + D (*) D (*) K) = (4,05 ± 0,11 ± 0,28) % Autres expériences Belle : mesure de 2 modes LHCb : ?? possible pour les modes contenant D 0, D +, D *+, K + 24 Phys. Rev. D83, (2011)

25 Vincent Poireau 25 Introduction Mesure des rapports dembranchement Analyse disospin Mesure de sin 2 et cos 2

26 Utilisation des mesures de BaBar et Belle pour vérifier les propriétés disospin de B D (*) D (*) K Symétrie disospin I relie les quarks u et d b ccs I = 0 Relations disospin entre les modes Prédictions rapports dembranchement Dépend de 13 paramètres Fit simultané sur tous les modes permet une comparaison mesures et prédictions Extraction de À comparer avec la valeur mondiale 1,055 ± 0, Vincent Poireau Valeur expérimentale Valeur fit Phys. Lett. B704, 559 (2011)

27 Vincent Poireau 27 Introduction Mesure des rapports dembranchement Analyse disospin Mesure de sin 2 et cos 2

28 Angle mesuré précisément via en particulier B 0 J/ K 0 S, provenant de b ccs Dautres modes peuvent être utilisés, entre autres : B 0 D (*) D (*) Mais aussi B 0 D (*) D (*) K 0 S Non supprimé de Cabibbo, pas de diagrammes pingouins Étude de B 0 D (*) D (*) K 0 S : violation de CP dépendante du temps Seul le mode B 0 D *- D *+ K 0 S a été utilisé jusquà présent 209 fb -1 de données BaBar Résultat : cos 2 > 0 à 94 % CL Lève lambiguïté /2 - Perspectives Utiliser les modes B 0 D *- D + K 0 S + D - D *+ K 0 S (13 ) et B 0 D - D + K 0 S (5 ) pour effectuer cette mesure 28 Vincent Poireau Phys. Rev. Lett. D74, (2006)

29 Vincent Poireau 29 Introduction Les résonances charmoniums Les résonances c s

30 Résonance : méson ou baryon de temps de vie extrémement court ( < s) = h/ largeur de la particule Sujet très prolifique depuis le démarrage des usines à B Sur les cinq articles de BaBar les plus cités, trois concernent les résonances ! Grand nombre de résonances découvertes depuis 2003 Ne cadrent pas avec les modèles simples Révolution des résonances ! Étude des résonances dans B D (*) D (*) K Charmoniums : B K, D (*) D (*) (3770), X(3872) Résonances cs : B D (*) D sJ, D sJ D (*) K D s1 (2536), D s1 * (2700) 30 Vincent Poireau

31 Modèle de potentiel (Godfrey et Isgur) Basé sur la QCD + potentiel pour le confinement de quarks à grande distance et attraction coulombienne à courte distance Potentiel unique et universel, sapplique à tous les mésons De nombreuses nouvelles résonances ne correspondent pas aux prédictions de ce modèle Au-delà de lassemblage de deux quarks ? Possible en théorie, mais jamais observé Tétraquarks [Qq 1 ][q 2 Q] États liés de 4 quarks Grand nombre détats attendus Largeur étroite États chargés possibles Molécules [Qq 1 ][q 2 Q] Paire de mésons faiblement liée Peu détats prédits Largeur étroite Hybrides qqg États contenant des gluons excités Certains états possèdent un J PC interdit pour les mésons 31 Vincent Poireau D0D0 D*0D*0 π

32 32 Introduction Les résonances charmoniums Les résonances c s

33 Charmonium : état lié cc Propriétés Sous le seuil D(*)D(*) États étroits Au-dessus du seuil États larges Tous les états sous le seuil sont observés et expliqués 33 Increasing L Increasing n Pot. model QWG hep-ph/ fb -1

34 Charmonium : état lié cc Propriétés Sous le seuil D(*)D(*) États étroits Au-dessus du seuil États larges Tous les états sous le seuil sont observés et expliqués 34 Increasing L Increasing n Pot. model QWG hep-ph/

35 Increasing L Increasing n Pot. model QWG hep-ph/ Charmonium : état lié cc Propriétés Sous le seuil D(*)D(*) États étroits Au-dessus du seuil États larges Tous les états sous le seuil sont observés et expliqués Beaucoup de nouveaux états découverts depuis 2003 !

36 36 Vincent Poireau

37 Résonance découverte en 2003 Observée par Belle, BaBar, au Tevatron, au LHC B X(3872) K, X(3872) J/ + - Vue également en J/, J/, (2S) M = (3871,68 0,17) MeV/c 2 < 1,2 MeV (90 % CL) Masse très proche du seuil D *0 D 0 (3871,8 0,4) MeV/c 2 Coïncidence ? En dessous ou au-dessus ? Nombre quantique LHCb : J PC = 1 ++ Pratiquement exclu que le X(3872) soit un charmonium conventionnel ! 37 Vincent Poireau BaBar 2008

38 Belle en 2006: excès dans la masse invariante de D 0 D 0 0 dans B D 0 D 0 0 K M = (3875,2 0,7 +1,2 -2,0 ) MeV/c² À 2 du canal X(3872) J/ + - Étude dans BaBar sur les événements D *0 D 0 K, D *0 D 0 0, D fb -1 : publication (2008) 429 fb -1 : stage M1 (2009) Modes concernés B + D *0 D 0 K + + D 0 D *0 K + B 0 D *0 D 0 K 0 + D 0 D *0 K 0 Méthode de reconstruction basée sur le MC 90 MC X(3872) avec différentes masses et largeurs 90 fits des données 38 Vincent Poireau Belle 2006

39 Fit de la masse invariante 33 7 événements (4,9 ) Distribution de 2 dans le plan masse-largeur 2 min masse et largeur 2 min +1 incertitudes M = (3875,1 0,7 0,5) MeV/c 2 = (3,0 +1,9 -1,4 0,9) MeV Par rapport à X(3872) J/ + - Masse incompatible à plus de 4 Largeur incompatible avec limite supérieure 39 Vincent Poireau Phys. Rev. D77, (2008) 347 fb fb fb fb -1

40 40 Vincent Poireau J/ + - lineshape D 0 D 0 0 lineshape D 0 D *0 lineshape Explication probable pour une telle différence de masse entre les deux canaux, dans lhypothèse que le X(3872) est une molécule D *0 D 0 Belle Canal X(3872) D *0 D 0 Seuil cinématique très proche Si masse en dessous du seuil pic artificiel Pic ne correspond pas à la particule réelle Canal X(3872) J/ + - Pas de seuil cinématique Les mesures de la masse et la largeur correspondent à la particule Mise à jour Belle 2010 avec D *0 D 0 K Fit avec une Breit-Wigner M = (3872,6 0,5 0,4) MeV/c 2 = (3,9 +2,8 -1,4 +0,2 -1,1 ) MeV Masse plus proche du canal J/ + -, mais largeur incompatible ! Braaten et al.

41 Probablement pas un charmonium c2 (J PC = 2 -+ ) exclu du fait que X(3872) est 1 ++ Excitation radiale du c1 (J PC = 1 ++ ) attendu à 3950 MeV/c 2 État moléculaire D *0 D 0 faiblement lié ? Explique La coïncidence du seuil D *0 D 0 et de la masse Sa faible largeur Ses nombres quantiques 1 ++ Quelques prédictions cependant en contradiction avec les mesures Tétraquark Deux états neutres et deux états chargés prédits Différence de masse entre les deux états neutres = (7 ± 2) MeV/c 2 Incompatible avec les mesures Pas détat chargé observé Le X(3872) Mélange dun état charmonium avec un état multiquark ? LHC devrait apporter plus dinformation Premier état exotique jamais découvert ! 41 Vincent Poireau

42 42 Introduction Les résonances charmoniums Les résonances c s

43 D s0 *(2317) D s1 (2460) D sJ * (2860) D s1 * (2700) S wave P wave D wave * Avant 2003 : D s *, D s1 (2536) +, D s2 (2573) + Avril 2003, D s0 * (2317) + : découverte inattendue dune résonance étroite dans BaBar Mai 2003, D s1 (2460) + : CLEO, BaBar observent une nouvelle résonance étroite Deux surprises car états attendus à plus haute masse et très larges Juil. 2006, D sJ * (2860) + : nouvel état découvert par BaBar, confirmé par LHCb en 2012 Juil. 2006, D s1 * (2700) + : nouvelle résonance découverte par BaBar, rapidement confirmée par Belle, puis par LHCb 2009, D sJ (3040), 2009 : résonance large découverte par BaBar Vincent Poireau fb -1

44 Découvert par BaBar dans les données inclusives Confirmé par Belle dans B + D 0 D 0 K + et par LHCb Se désintègre en DK et D * K Recherche du D s1 * (2700) dans DDK (429 fb -1 ) : analyse de Dalitz avec deux canaux étudiés B + D 0 D 0 K + ( évts) B 0 D - D 0 K + ( évts) Utilisation du modèle isobare c i : coefficients complexes (modules et phases) A i : amplitudes complexes (fonction dynamique des résonances intermédiaires) Vraisemblance p : pureté, efficacité B bruit de fond 44 Vincent Poireau Belle

45 Contributions Événements non résonants D s1 * (2700) D s2 * (2573) (3770) (B + D 0 D 0 K + ) (4160) (B + D 0 D 0 K + ) Fits avec ces contributions Observation claire de D s1 * (2700) Excès à basse masse en M(D 0 K + ) ! Excès Vu aussi par Belle Non artificiel Pas de méson cs a priori attendu à cette masse Statistique faible : impossible à décrire physiquement dans BaBar Utilisation dune fonction ad-hoc 45 Vincent Poireau B + D 0 D 0 K + B 0 D - D 0 K + Bruit de fond D s1 * (2700) Non résonant

46 Fits nominaux Masse et largeur PDG M = (2709 4) MeV/c 2, = (117 13) MeV 46 Vincent Poireau Prelim. Article en préparation B 0 D - D 0 K + B + D 0 D 0 K + Prelim. Bruit de fond D s1 * (2700) Non résonant D s2 (2573) (4160) (3770) Fonction ad-hoc

47 Vincent Poireau 47

48 Détecteur de rayons cosmiques Particules chargées et rayons gamma Entre 100 MeV et 1 TeV Décollage de Cap Canaveral le 16 mai 2011 Avant-dernière navette américaine ! Déploiement sur lISS le 19 mai 2011 En orbite à 400 km 40 milliards dévénements enregistrés 48 Vincent Poireau 5m x 4m x 3m 7.5 tonnes

49 Rayons cosmiques 99 % de nucléons dont 89 % de protons, 10 % hélium, 1 % noyaux plus lourds Electrons 1 % et positons 0,1 % 49 Vincent Poireau Rayons cosmiques primaires Produits directement par une source Sources : restes de supernovas, pulsars, noyaux actifs de galaxie, quasars, … Rayons primaires Électrons, protons, hélium, carbone, … Rayons cosmiques secondaires Proviennent de linteraction du rayonnement primaire sur le milieu interstellaire Rayons secondaires Positons, antiprotons, bore, …

50 50 Vincent Poireau Rayons cosmiques proviennent De lextérieur du système solaire E<10 16 eV : de notre Galaxie Ultra hautes énergies : de lextérieur de notre Galaxie Positons : proviennent de quelques kpc maximum (voisinage proche) Propagation équivalente à une diffusion dans le milieu galactique Champ magnétique irrégulier du halo diffusif = marche au hasard Coefficient de diffusion K(E) = K 0 R (R=p/Z) Paramètres libres : K 0,, L, V c, V a Les incertitudes sur ces paramètres sont transcrits en trois jeux de paramètrisations Min, Med, Max h z =200 pc, L=1-15 kpc, R=25 kpc

51 Mesures de flux de rayons cosmiques Comprendre la propagation des rayons cosmiques dans notre Galaxie Recherche indirecte de matière noire En particulier positons et antiprotons produits lors de son annihilation Recherche dantimatière primordiale Anti-hélium relique du Big-Bang ou anti- carbone issus danti-étoiles Surprises? Strangelets? 51 Vincent Poireau

52 52 Vincent Poireau TRD TOF Tracker TOF RICH ECAL Détecteur à radiation de transition Identifie les e +, e - Trajectomètre au silicium Z, P Calorimètre EM E des e +, e -, γ RICH Z, E Temps de vol Z, E Aimant 0,14 T ±Z

53 Vincent Poireau 53

54 Positons : prévus uniquement dorigine secondaire Excès de positons par rapport à la prédiction des secondaires = source de positons primaires Fraction de positons Permet de factoriser les acceptances et efficacités Simplifie les erreurs systématiques Difficulté principale Discriminer protons et positons A 10 GeV, 1 e - pour 100 protons, 1 e + pour 2000 protons Vincent Poireau 54

55 Analyse basée sur Le TRD : rapport de vraisemblance L TRD Le trajectographe : E/p Le calorimètre : arbre de décision BDT ECAL Sélection sur E/p et BDT ECAL et comptage sur L TRD Plusieurs étapes Détermination de la PDF sur des lots purs délectrons et de protons Comptage des leptons après sélection Confusion de charge Pour certaines énergies, signe de la charge difficilement mesurable confusion 4 % à 350 GeV corrigé grâce au MC 55 Vincent Poireau 65 – 100 GeV Z < 0 : comptage des électrons Z > 0 : comptage des positons L TRD BDT ECAL 65 – 100 GeV e p e-e- e+e+ p p L TRD

56 Au-delà de 10 GeV, remontée de la fraction Incompatible avec la production de secondaire Source de positons primaires nécessaire ! Source Annihilation de matière noire Pulsars 56 Vincent Poireau Résultat (stage S. Caroff, 18 mois de données) Prédiction Salati et al.

57 Quelle est la source de positons ? Matière noire (WIMPs) Annihilation des WIMPs production particules-antiparticules source de positons Prédiction du flux doit être multipliée par un facteur damplification (>100) Pulsars Étoiles à neutrons tournant sur elles-mêmes à grande vitesse avec un fort champ magnétique 200 pulsars à moins de 2 kpc de la Terre Seulement un petit nombre capable démettre des positons Électrons arrachés de la surface par les champs forts électrons produisent des photons synchrotron photons produisent paires électrons-positons certains séchappent du pulsar Prédiction précise très difficile 57 Vincent Poireau

58 Améliorations de lanalyse Optimisation de la présélection Variable BDT calorimètre optimisée pour les hautes énergies Fits à deux dimensions Augmentation de la statistique : 18 mois 30 mois ! 58 Vincent Poireau Étendre la mesure à plus haute énergie Retombée de la fraction ? Permet de discriminer entre matière noire et pulsar WIMPs : retombée brutale (seuil cinématique) Pulsars : retombée prédite plus lente

59 Vincent Poireau 59

60 Projet de recherche : mesure du flux de positons Apporte plus dinformation pour les modèles Calcul du flux A acceptance, efficacités du trigger et de la sélection, E taille du bin en énergie, T temps dexposition (~80 %) Mesure officielle dAMS Flux mesuré jusquà 350 GeV Cassure dans la pente à 30 GeV LAPP : mettre à jour cette mesure à plus haute énergie en améliorant lanalyse 60 Vincent Poireau

61 BaBar Collaboration encore très active 50 publications prévues Implication personnelle dans le détecteur, le calcul et dans lanalyse, avec plusieurs responsabilités importantes Analyse des événement B D (*) D (*) K Mesure des rapports dembranchement, analyse disospin, violation de CP Étude de nombreuses résonances Potentiel important des événements D (*) D (*) K dans le futur (LHCb, Belle II), qui apporteront encore de nombreuses contributions AMS Les mesures les plus importantes sont encore à venir Une période faste souvre pour AMS Mesure de la fraction et du flux de positons Augmentation de la statistique et montée en énergie Matière noire ou pulsars ? Bientôt une réponse ? 61 Vincent Poireau


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