Tipus de document
TesiVersió
Versió publicadaData de publicació
Llicència de publicació
Si us plau utilitzeu sempre aquest identificador per citar o enllaçar aquest document: https://hdl.handle.net/2445/231610
Challenging Lepton Flavour Universality with rare b-baryon decays at LHCb
Títol de la revista
Autors
Director/Tutor
Contribució addicional
ISSN de la revista
Títol del volum
Resum
[eng] This thesis aims to test one of the fundamental properties of the Standard Model of particle physics: the universality of leptonic taste, according to which the interactions of leptons with mediating particles are independent of their taste. Despite the success of the Standard Model in describing numerous phenomena, it has important limitations, such as the lack of a description of gravity, the absence of a dark matter candidate or the impossibility of explaining the asymmetry between matter and antimatter observed in the universe. For this reason, the study of processes sensitive to possible contributions of new physics is essential to advance in the fundamental understanding of nature. The work focuses on the study of rare decays of hadrons containing a b quark, in particular b-to-s type transitions with two leptons at the end of the state. These decays are strongly suppressed in the Standard Model and only occur by second-order processes, which makes them especially sensitive to the effect of new particles not described by the model. In recent years, several measurements related to these processes have shown discrepancies with respect to theoretical predictions, although these are affected by hadronic uncertainties that are difficult to control. To reduce the impact of these theoretical uncertainties, constructed observables are studied as ratios between identical decays except for the flavor of the final lepton. Specifically, this thesis presents a new measure of the universality ratio of leptonic flavor in decays Lb at pK with two leptons, comparing the channels with muons and with electrons. In the Standard Model, this ratio should be very close to unity, with theoretical uncertainties of the order of 1%. A significant deviation would be a clear signal of new physics. The analysis has been carried out with data collected by the LHCb experiment during the Run 1 and Run 2 periods of the Large Hadron Collider, corresponding to the years 2011–2012 and 2016–2018, with a total integrated luminosity of 8.4 fb⁻¹. The main objective is to update a previously published measurement by adding the data from 2017 and 2018, as well as to completely reoptimize the analysis strategy to improve statistical accuracy. In addition, the measurement of the observable is carried out for the first time in two differentiated regions of the moment transferred to the dileptonic system. The measurement is based on a double ratio that uses a resonant channel with J/psi meson decay as normalization. This strategy allows to cancel out a large part of the systematic effects associated with the differences between electron and muon reconstruction. The number of events is determined by adjustments to the invariant mass distributions, while the efficiencies are calculated from simulations corrected with real data. To avoid experimental biases, a blinding method is applied to the efficiencies of rare channels during the development of the analysis. Electron reconstruction presents specific difficulties with respect to muons, due to the emission of bremsstrahlung photons and a lower energy resolution than the momentum measurement system. These differences affect the mass resolution of the electronic channels and require more careful selection and calibration. Strict particle identification criteria, contaminant channel vetoes, and multivariate classifiers are developed to separate the signal from the background. As a validation of the method, the ratio of branch fractions of the resonant channel in muon and electron modes is measured, checking its compatibility with the unit, as predicted by the universality of the leptonic flavor in the decay of J/psi. The results obtained are compatible with this hypothesis within the statistical uncertainties. The ratio of universality of the leptonic flavor is extracted by a simultaneous adjustment to all the samples considered. Results are presented for the combined region of transferred moment and for two subregions, showing a clear improvement in statistical accuracy compared to the previously published measurement. This improvement is higher than the factor expected only by the increase in luminosity, which validates the reoptimization of the analysis strategy. In addition, a competitive measurement is achieved for the first time in the regions of low and medium moment transferred. Finally, the thesis includes a preliminary study of end-state electron decays using data from Run 3, after the upgrade of the LHCb detector. This work constitutes the first analysis of an electronic channel with the new detector and allows to validate the behavior of electron reconstruction and identification in the new experimental environment, characterized by higher occupancy and a completely software-based trigger system. Overall, this thesis provides a more accurate observable measurement of leptonic flavor universality in rare decays, extends the study to new kinematic regions and lays the foundations for future measurements with data from Run 3. These results contribute significantly to the coherence tests of the Standard Model and to the indirect search for new physics.
[cat] Aquesta tesi té com a objectiu posar a prova una de les propietats fonamentals del Model Estàndard de la física de partícules: la universalitat del sabor leptònic, segons la qual les interaccions dels leptons amb les partícules mediadores són independents del seu sabor. Tot i l’èxit del Model Estàndard en la descripció de nombrosos fenòmens, aquest presenta limitacions importants, com la manca d’una descripció de la gravetat, l’absència d’un candidat a matèria fosca o la impossibilitat d’explicar l’asimetria entre matèria i antimatèria observada a l’univers. Per aquest motiu, l’estudi de processos sensibles a possibles contribucions de nova física és essencial per avançar en la comprensió fonamental de la natura. El treball se centra en l’estudi de desintegracions rares d’hadrons que contenen un quark b, en particular transicions de tipus b a s amb dos leptons al final de l’estat. Aquestes desintegracions estan fortament suprimides en el Model Estàndard i només es produeixen mitjançant processos de segon ordre, fet que les fa especialment sensibles a l’efecte de noves partícules no descrites pel model. En els darrers anys, diverses mesures relacionades amb aquests processos han mostrat discrepàncies respecte a les prediccions teòriques, tot i que aquestes estan afectades per incerteses hadròniques difícils de controlar. Per reduir l’impacte d’aquestes incerteses teòriques, s’estudien observables construïts com a raons entre desintegracions idèntiques excepte pel sabor del leptó final. En concret, aquesta tesi presenta una nova mesura de la raó d’universalitat del sabor leptònic en desintegracions Lb a pK amb dos leptons, comparant els canals amb muons i amb electrons. En el Model Estàndard, aquesta raó hauria de ser molt propera a la unitat, amb incerteses teòriques de l’ordre de l’1%. Una desviació significativa seria un senyal clar de nova física. L’anàlisi s’ha realitzat amb dades recollides per l’experiment LHCb durant els períodes Run 1 i Run 2 del Gran Col·lisionador d’Hadrons, corresponents als anys 2011–2012 i 2016–2018, amb una lluminositat integrada total de 8,4 fb⁻¹. L’objectiu principal és actualitzar una mesura prèviament publicada afegint les dades de 2017 i 2018, així com reoptimitzar completament l’estratègia d’anàlisi per millorar la precisió estadística. A més, s’efectua per primera vegada la mesura de l’observable en dues regions diferenciades del moment transferit al sistema dileptònic. La mesura es basa en una doble raó que utilitza un canal ressonant amb desintegració del mesó J/psi com a normalització. Aquesta estratègia permet cancel·lar una gran part dels efectes sistemàtics associats a les diferències entre la reconstrucció d’electrons i muons. El nombre d’esdeveniments es determina mitjançant ajustos a les distribucions de massa invariant, mentre que les eficiències es calculen a partir de simulacions corregides amb dades reals. Per evitar biaixos experimentals, s’aplica un mètode de cegament a les eficiències dels canals rars durant el desenvolupament de l’anàlisi. La reconstrucció d’electrons presenta dificultats específiques respecte als muons, degut a l’emissió de fotons de bremsstrahlung i a una resolució en energia inferior al sistema de mesura de moments. Aquestes diferències afecten la resolució en massa dels canals electrònics i requereixen una selecció i calibració més curoses. Es desenvolupen criteris estrictes d’identificació de partícules, vetos a canals contaminants i classificadors multivariats per separar el senyal dels fons. Com a validació del mètode, es mesura la raó de fraccions d’embrancament del canal ressonant en modes muònic i electrònic, comprovant la seva compatibilitat amb la unitat, tal com prediu la universalitat del sabor leptònic en la desintegració del J/psi. Els resultats obtinguts són compatibles amb aquesta hipòtesi dins de les incerteses estadístiques. La raó d’universalitat del sabor leptònic s’extreu mitjançant un ajust simultani a totes les mostres considerades. Es presenten resultats per a la regió combinada de moment transferit i per a dues subregions, mostrant una millora clara de la precisió estadística respecte a la mesura publicada prèviament. Aquesta millora és superior al factor esperat únicament per l’augment de la lluminositat, fet que valida la reoptimització de l’estratègia d’anàlisi. A més, s’aconsegueix per primera vegada una mesura competitiva en les regions de baix i mitjà moment transferit. Finalment, la tesi inclou un estudi preliminar de desintegracions amb electrons en l’estat final utilitzant dades del Run 3, després de l’actualització del detector LHCb. Aquest treball constitueix la primera anàlisi d’un canal electrònic amb el nou detector i permet validar el comportament de la reconstrucció i identificació d’electrons en el nou entorn experimental, caracteritzat per una major ocupància i un sistema de trigger completament basat en programari. En conjunt, aquesta tesi proporciona una mesura més precisa de l’observable d’universalitat del sabor leptònic en desintegracions rares, amplia l’estudi a noves regions cinemàtiques i estableix les bases per futures mesures amb dades del Run 3. Aquests resultats contribueixen de manera significativa als tests de coherència del Model Estàndard i a la recerca indirecta de nova física.
[cat] Aquesta tesi té com a objectiu posar a prova una de les propietats fonamentals del Model Estàndard de la física de partícules: la universalitat del sabor leptònic, segons la qual les interaccions dels leptons amb les partícules mediadores són independents del seu sabor. Tot i l’èxit del Model Estàndard en la descripció de nombrosos fenòmens, aquest presenta limitacions importants, com la manca d’una descripció de la gravetat, l’absència d’un candidat a matèria fosca o la impossibilitat d’explicar l’asimetria entre matèria i antimatèria observada a l’univers. Per aquest motiu, l’estudi de processos sensibles a possibles contribucions de nova física és essencial per avançar en la comprensió fonamental de la natura. El treball se centra en l’estudi de desintegracions rares d’hadrons que contenen un quark b, en particular transicions de tipus b a s amb dos leptons al final de l’estat. Aquestes desintegracions estan fortament suprimides en el Model Estàndard i només es produeixen mitjançant processos de segon ordre, fet que les fa especialment sensibles a l’efecte de noves partícules no descrites pel model. En els darrers anys, diverses mesures relacionades amb aquests processos han mostrat discrepàncies respecte a les prediccions teòriques, tot i que aquestes estan afectades per incerteses hadròniques difícils de controlar. Per reduir l’impacte d’aquestes incerteses teòriques, s’estudien observables construïts com a raons entre desintegracions idèntiques excepte pel sabor del leptó final. En concret, aquesta tesi presenta una nova mesura de la raó d’universalitat del sabor leptònic en desintegracions Lb a pK amb dos leptons, comparant els canals amb muons i amb electrons. En el Model Estàndard, aquesta raó hauria de ser molt propera a la unitat, amb incerteses teòriques de l’ordre de l’1%. Una desviació significativa seria un senyal clar de nova física. L’anàlisi s’ha realitzat amb dades recollides per l’experiment LHCb durant els períodes Run 1 i Run 2 del Gran Col·lisionador d’Hadrons, corresponents als anys 2011–2012 i 2016–2018, amb una lluminositat integrada total de 8,4 fb⁻¹. L’objectiu principal és actualitzar una mesura prèviament publicada afegint les dades de 2017 i 2018, així com reoptimitzar completament l’estratègia d’anàlisi per millorar la precisió estadística. A més, s’efectua per primera vegada la mesura de l’observable en dues regions diferenciades del moment transferit al sistema dileptònic. La mesura es basa en una doble raó que utilitza un canal ressonant amb desintegració del mesó J/psi com a normalització. Aquesta estratègia permet cancel·lar una gran part dels efectes sistemàtics associats a les diferències entre la reconstrucció d’electrons i muons. El nombre d’esdeveniments es determina mitjançant ajustos a les distribucions de massa invariant, mentre que les eficiències es calculen a partir de simulacions corregides amb dades reals. Per evitar biaixos experimentals, s’aplica un mètode de cegament a les eficiències dels canals rars durant el desenvolupament de l’anàlisi. La reconstrucció d’electrons presenta dificultats específiques respecte als muons, degut a l’emissió de fotons de bremsstrahlung i a una resolució en energia inferior al sistema de mesura de moments. Aquestes diferències afecten la resolució en massa dels canals electrònics i requereixen una selecció i calibració més curoses. Es desenvolupen criteris estrictes d’identificació de partícules, vetos a canals contaminants i classificadors multivariats per separar el senyal dels fons. Com a validació del mètode, es mesura la raó de fraccions d’embrancament del canal ressonant en modes muònic i electrònic, comprovant la seva compatibilitat amb la unitat, tal com prediu la universalitat del sabor leptònic en la desintegració del J/psi. Els resultats obtinguts són compatibles amb aquesta hipòtesi dins de les incerteses estadístiques. La raó d’universalitat del sabor leptònic s’extreu mitjançant un ajust simultani a totes les mostres considerades. Es presenten resultats per a la regió combinada de moment transferit i per a dues subregions, mostrant una millora clara de la precisió estadística respecte a la mesura publicada prèviament. Aquesta millora és superior al factor esperat únicament per l’augment de la lluminositat, fet que valida la reoptimització de l’estratègia d’anàlisi. A més, s’aconsegueix per primera vegada una mesura competitiva en les regions de baix i mitjà moment transferit. Finalment, la tesi inclou un estudi preliminar de desintegracions amb electrons en l’estat final utilitzant dades del Run 3, després de l’actualització del detector LHCb. Aquest treball constitueix la primera anàlisi d’un canal electrònic amb el nou detector i permet validar el comportament de la reconstrucció i identificació d’electrons en el nou entorn experimental, caracteritzat per una major ocupància i un sistema de trigger completament basat en programari. En conjunt, aquesta tesi proporciona una mesura més precisa de l’observable d’universalitat del sabor leptònic en desintegracions rares, amplia l’estudi a noves regions cinemàtiques i estableix les bases per futures mesures amb dades del Run 3. Aquests resultats contribueixen de manera significativa als tests de coherència del Model Estàndard i a la recerca indirecta de nova física.
Recurs relacionat
Citació
Col·leccions
Citació
LÓPEZ HUERTAS, Albert. Challenging Lepton Flavour Universality with rare b-baryon decays at LHCb. [consulted: 7 of October of 2026]. Available at: https://hdl.handle.net/2445/231610