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

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

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Thse sur DELPHI, CEA (1998-2001) Post-doc sur CMS, CERN (2001-2002) Entre au CNRS/LAPP sur BaBar (2003) Expatriation SLAC (2004-2006) Collaboration AMS (2012) Principales responsabilits scientifiques Systme de contrle de la chambre fils de BaBar (2003-2006) Coordinateur gnral de la prise de donnes de BaBar (2006) Chambre fils de BaBar (2006-2010) Coordinateur du groupe de physique BaBar Dsintgrations des msons B en particules charmes (2008-2011) Calcul au ccin2p3 pour BaBar (2008-) et AMS (2013-) Publication board de BaBar (2011-2014) Encadrement 2 tudiants en Master 1, 1 tudiant en Master 2 + thse, 1 postdoc 3 Vincent Poireau

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5 e - 9 GeV e + 3,1 GeV Luminosit instantane : L = 12,1 10 33 cm -2 s -1 Section efficace effective nergie dans le centre de masse: 10,58 GeV e + e - ( 4S ) (bb) BB

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6 Dtecteur de vertex silicium Reconstruction prcise des vertex, dE/dx Dtecteur Cherenkov Identification, K/ Retour de champ instrument Identification, dtection des hadrons neutres 9 GeV e - Chambre fils Impulsion, dE/dx Solnode 1,5 T 3,1 GeV e + Calorimtre lectromagntique Identification des 0,, e -, dtection des hadrons neutres Lexprience stoppe en 2008, enregistrant 553 fb -1

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

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

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B D (*) D (*) K : 22 tats finals possibles Proviennent de la transition b ccs 9 Vincent Poireau Multiples intrts Contribution importante aux dsintgrations des B Contribution au problme du taux de charme Tester les relations disospin Mesure de sin 2 et cos 2 Contiennent de nombreuses rsonances Diagramme supprim de couleur 1/N c 2

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Taux de charme nombre de hadrons charms par dsintgration de B Relation entre le taux de charme et le taux de dsintgration semi-leptonique B X l l Pendant longtemps, dsaccord thorique de ces deux valeurs exprimentales Contribution b ccs pense alors comme provenant principalement de B D s X, B (cc)X et B c X 1994 : contribution supplmentaire ncessaire pour b ccs B D (*) D (*) K (X) prdits non ngligeables Confirm par CLEO (1997), ALEPH (1998) et BaBar (2003) 10 Vincent Poireau

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

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Totalit des donnes 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 tats finals reconstruire, par exemple : B + D 0 D 0 K + K + K + K - + - 5 traces charges B 0 D *- D *+ K 0 K + K - + + + + + - - - - - 12 traces charges B 0 D *0 D *0 K 0 K + K - + + + - - - 8 traces charges, 4 photons Slection des msons D (*) et K Masse, nergie des produits de dsintgration, vertex, identification des particules, 12 Vincent Poireau

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Slection du mson B Variables topologiques pour supprimer e + e - qq ( q=u, d, s, c ) E et m ES E = diffrence entre lnergie du B et lnergie du faisceau pic zro Slection sur E pic la masse du B Distribution m ES aprs la slection complte Pour chaque mode : extraction du signal et des rapports dembranchement grce aux fits des distributions m ES Vincent Poireau Somme de tous les modes neutres Somme de tous les modes chargs

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

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Signal Cross-feed Ce sont des vnements dun certain mode D (*) D (*) K reconstruits 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 ngligeable pour certains modes 15 Vincent Poireau Comprendre les diffrentes 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

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

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

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

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

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

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Mthode classique : Efficacit : utilisation du MC D (*) D (*) K non rsonant espace des phases plat dans le plan de Dalitz Les vnements B D (*) D (*) K contiennent de nombreuses rsonances, certaines imparfaitement connues Efficacit rsonance efficacit non rsonant Car efficacit non plate dans le plan de Dalitz Mthode utilise Mesure des rapports dembranchement valide quelque soit le contenu en rsonances Utilisation de lefficacit la position de lvnement dans le plan de Dalitz + pondration du signal par cette efficacit 21 Vincent Poireau Donnes plan de Dalitz Efficacit plan de Dalitz

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Comment isoler la contribution du signal ? Utilisation de la mthode statistique sPlot sPlot (Pivk et Le Diberder) Poids calcul vnement par vnement qui classifie en catgories (signal et bruit de fond) Poids bas sur la matrice de covariance et les PDFs du fit m ES Calcul rapports dembranchement Nombre de signal corrig de lefficacit : w S (i) poids sPlot pour le signal pour lvnement i i efficacit la position dans le plan de Dalitz de lvnement i Rapports : 22 Vincent Poireau

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23 Vincent Poireau SignalBdf piqu Cross-feed Rapport demb. 10 -4 Signific. Observ pour la premire fois avec >5 vidence pour la premire fois avec >3 Observation de modes supprims de couleur

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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 expriences Belle : mesure de 2 modes LHCb : ?? possible pour les modes contenant D 0, D +, D *+, K + 24 Phys. Rev. D83, 032004 (2011)

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

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Utilisation des mesures de BaBar et Belle pour vrifier les proprits disospin de B D (*) D (*) K Symtrie disospin I relie les quarks u et d b ccs I = 0 Relations disospin entre les modes Prdictions rapports dembranchement Dpend de 13 paramtres Fit simultan sur tous les modes permet une comparaison mesures et prdictions Extraction de comparer avec la valeur mondiale 1,055 0,025 26 Vincent Poireau Valeur exprimentale Valeur fit Phys. Lett. B704, 559 (2011)

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

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Angle mesur prcisment via en particulier B 0 J/ K 0 S, provenant de b ccs Dautres modes peuvent tre utiliss, entre autres : B 0 D (*) D (*) Mais aussi B 0 D (*) D (*) K 0 S Non supprim de Cabibbo, pas de diagrammes pingouins tude de B 0 D (*) D (*) K 0 S : violation de CP dpendante du temps Seul le mode B 0 D *- D *+ K 0 S a t utilis jusqu prsent 209 fb -1 de donnes BaBar Rsultat : cos 2 > 0 94 % CL Lve lambigut /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, 091101 (2006)

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Vincent Poireau 29 Introduction Les rsonances charmoniums Les rsonances c s

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Rsonance : mson ou baryon de temps de vie extrmement court (

Analyse base sur Le TRD : rapport de vraisemblance L TRD Le trajectographe : E/p Le calorimtre : arbre de dcision BDT ECAL Slection sur E/p et BDT ECAL et comptage sur L TRD Plusieurs tapes Dtermination de la PDF sur des lots purs dlectrons et de protons Comptage des leptons aprs slection Confusion de charge Pour certaines nergies, signe de la charge difficilement mesurable confusion 4 % 350 GeV corrig grce au MC 55 Vincent Poireau 65 100 GeV Z < 0 : comptage des lectrons Z > 0 : comptage des positons L TRD BDT ECAL 65 100 GeV e p e-e- e+e+ p p L TRD

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Au-del de 10 GeV, remonte de la fraction Incompatible avec la production de secondaire Source de positons primaires ncessaire ! Source Annihilation de matire noire Pulsars 56 Vincent Poireau Rsultat (stage S. Caroff, 18 mois de donnes) Prdiction Salati et al.

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Quelle est la source de positons ? Matire noire (WIMPs) Annihilation des WIMPs production particules-antiparticules source de positons Prdiction du flux doit tre multiplie par un facteur damplification (>100) Pulsars toiles neutrons tournant sur elles-mmes grande vitesse avec un fort champ magntique 200 pulsars moins de 2 kpc de la Terre Seulement un petit nombre capable dmettre des positons lectrons arrachs de la surface par les champs forts lectrons produisent des photons synchrotron photons produisent paires lectrons-positons certains schappent du pulsar Prdiction prcise trs difficile 57 Vincent Poireau

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Amliorations de lanalyse Optimisation de la prslection Variable BDT calorimtre optimise pour les hautes nergies Fits deux dimensions Augmentation de la statistique : 18 mois 30 mois ! 58 Vincent Poireau tendre la mesure plus haute nergie Retombe de la fraction ? Permet de discriminer entre matire noire et pulsar WIMPs : retombe brutale (seuil cinmatique) Pulsars : retombe prdite plus lente

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Vincent Poireau 59

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Projet de recherche : mesure du flux de positons Apporte plus dinformation pour les modles Calcul du flux A acceptance, efficacits du trigger et de la slection, E taille du bin en nergie, T temps dexposition (~80 %) Mesure officielle dAMS Flux mesur jusqu 350 GeV Cassure dans la pente 30 GeV LAPP : mettre jour cette mesure plus haute nergie en amliorant lanalyse 60 Vincent Poireau

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BaBar Collaboration encore trs active 50 publications prvues Implication personnelle dans le dtecteur, le calcul et dans lanalyse, avec plusieurs responsabilits importantes Analyse des vnement B D (*) D (*) K Mesure des rapports dembranchement, analyse disospin, violation de CP tude de nombreuses rsonances Potentiel important des vnements D (*) D (*) K dans le futur (LHCb, Belle II), qui apporteront encore de nombreuses contributions AMS Les mesures les plus importantes sont encore venir Une priode faste souvre pour AMS Mesure de la fraction et du flux de positons Augmentation de la statistique et monte en nergie Matire noire ou pulsars ? Bientt une rponse ? 61 Vincent Poireau