Nous avons montr´e les motivations physiques principales de l’exp´erience BaBar, `a
savoir la mesure pr´ecise de la violation de CP dans les syst`emes des m´esons beaux ainsi
que l’´etude de la dynamique de leurs d´esint´egrations.
Si aujourd’hui, l’angle β du triangle d’unitarit´e est d´ej`a mesur´e avec pr´ecision, le d´efi des
angles α et γ est encore `a relever. De plus, une mesure pr´ecise de l’´element de matrice
CKM Vub permettra de contraindre un des cˆot´es du triangle d’unitarit´e.
Au niveau de la spectroscopie des d´esint´egrations, nous avons vu que des processus rares
comme les processus pingouin sont mesur´es avec une bonne pr´ecision. La pr´esence de
boucles de particules virtuelles lourdes (boson W , quark t) dans ce type de processus
rend ces derniers sensibles `a une nouvelle physique impliquant des bosons de Higgs
charg´es ou des particules supersym´etriques.
Dans le cadre de ce travail de th`ese, nous avons vu que l’´etude de la production des
η de haute impulsion pr´esente plusieurs int´erˆets :
• L’´etude de la dynamique de la transition pingouin b → sg∗ dans les d´esint´egrations
semi-inclusives B → ηX
s.
• La mesure du processus ¯B0 → ηD(∗)0 va permettre de compl´eter l’information sur
les modes supprim´es de couleur ¯B0 → h0D(∗)0 et les hamiltoniens effectifs d´ecrivant
ces d´esint´egrations
• Le m´eson ηest la particule centrale de ces analyses : nous avons vu comment on peut
faire le lien entre sa structure en quarks et sa production dans les d´esint´egrations
´
Chapitre 2
Le d´etecteur BaBar
Ce chapitre constitue une br`eve description de l’appareillage utilis´e dans l’exp´erience BaBar, `a savoir le collisionneur PEP II et le d´etecteur BaBar.
Les motivations principales de cette partie sont :
– Montrer le lien entre les buts poursuivis au niveau de la physique et la conception de l’appareillage
– D´etailler la structure du d´etecteur et le rˆole de chaque partie.
– Souligner les ´etapes principales et certains aspects importants de l’acquisition des donn´ees
2.1 L’appareillage et les exigences des ´etudes de
phy-sique
La mesure de la violation de la sym´etrieCP dans le syst`eme B ¯B requiert l’identification
de canaux de d´esint´egrations rares. Seule une petite fraction des d´esint´egrations des B
donne des ´etats propres de CP avec une asym´etrie mesurable.
2.1.1 La production des paires B ¯B
A l’´etape de la production, plusieurs exigences doivent ˆetre prises en compte :
• Les pairs B ¯B doivent ˆetre produites dans un environnement avec un minimum de bruit de fond. Le choix s’est tourn´e vers les collisions e+e− avec une ´energie dans le centre de masse situ´ee juste au dessus du seuil de production des pairs B ¯B, c’est `a dire `a la masse de la r´esonance Υ(4S), 10.58 GeV /c2.
• Pour une mesure d’asym´etrie CP avec une pr´ecision de l’ordre de 10%, il est
n´ecessaire d’isoler quelques centaines d’´ev´enements.
• Les ´etats finaux exclusifs qui servent `a la mesure de l’asym´etrie CP ont de faibles
rapports de branchement. Si on prend en compte l’efficacit´e de reconstruction pour
le canal “en or” B0 → J/ψ(→ l+l−)K0
S(→ π+π−) servant `a la mesure de sin(2β), le
produit du rapport de branchement par l’efficacit´e de reconstruction est de l’ordre
• La section efficace de production σ(B ¯B) des paires B ¯B `a la r´esonance Υ(4S) est de l’ordre du nanobarn.
La statistique n´ecessaire pour la mesure de sin(2β) exige de produire un nombre de pairs
B0B¯0 de l’ordre de 107. ´
Etant donn´e que NB ¯B =
L.dt × σ(B ¯B) et si on consid`ere une p´eriode typique de un an de prise de donn´ees, la luminosit´eL n´ecessaire doit ˆetre de quelques 1033cm−2s−1.
Ceci explique le concept ”d’usine `a B” qui vient du grand nombre de paires B ¯B n´ecessaire.
D’autre part la mesure de la violation deCP n´ecessite la mesure de la distance entre les
deux points de d´esint´egration des B, il faut donc que la distance de vol des m´esons soit
suffisamment grande pour pouvoir mesurer la distance entre les deux vertex.
Des collisions asym´etriques, o`u les faisceaux d’´electrons et de positrons ont des ´energies
diff´erentes, sont n´ecessaires pour produire des m´esons B avec des impulsions non
n´egligeables (de l’ordre de 1 GeV /c). Cependant, une trop grande asym´etrie n’est pas
souhaitable car les produits de d´esint´egrations seraient alors projet´es le long de la direc-tion des faisceaux et leur d´etection serait alors difficile.
2.1.2 La d´etection
En plus de ce qui est exig´e au niveau du collisionneur, le d´etecteur doit satisfaire un
certain nombre de conditions pour la reconstruction et l’identification des produits de
d´esint´egrations des m´esons B, en particulier dans les canaux importants pour l’´etude de
l’asym´etrie CP.
Les deux ´etapes principales de l’´etude de l’asym´etrie CP consistent `a reconstruire
compl`etement un des B et `a d´eterminer la saveur de l’autre B. Plus g´en´eralement, qu’ils s’agissent des ´etudes d’asym´etrie ou non, la reconstruction exclusive des canaux n´ecessite
une bonne efficacit´e de d´etection et une bonne r´esolution en impulsion et en position des
particules :
• Les points de d´esint´egration des B sont tr`es proches de l’axe des faisceaux, ce qui
n´ecessite des points de mesure de traces suffisamment proches radialement de cet
axe. Ceci est particuli`erement crucial pour les ´etudes de violation deCP d´ependante
du temps o`u la distance entre les vertex est une observable majeure.
• On doit pouvoir d´etecter des traces charg´ees de faible ´energie dont l’impulsion
trans-verse aux faisceaux, pT, est de l’ordre de 60 M eV /c, ce qui repr´esente un rayon de
courbure de l’ordre de 13 cm pour un champ magn´etique de 1.5 T.
• La quantit´e de mati`ere doit cependant ˆetre minimis´ee dans le volume de d´etection,
pour ´eviter la d´egradation de la r´esolution due `a la diffusion multiple.
• La d´etection des photons et des pions neutres π0 doit pouvoir se faire sur une vaste
gamme d’´energie, entre∼ 30 MeV et ∼ 5 GeV . Ceci pour pouvoir `a la fois d´etecter
les photons ou pions neutres directs tr`es ´energiques et les photons ou pions neutres
de faible ´energie comme ceux qui viennent des d´esint´egrations des m´esons charm´es
D∗0qui sont abondamment produits dans les d´esint´egrations des B et dont les deux
canaux de d´esint´egrations sont D∗0 → D0π0 et D∗0→ D0γ.
• L’identification des particles charg´ees doit ˆetre performante, en particulier pour
comme B0 → π+π− et B0 → K+π− qui sont des canaux importants pour la mesure
de l’angle α. De mani`ere g´en´erale, cette s´eparation est cruciale pour tous les canaux
du type B → Rh± ou h = K ou π et R est une r´esonance. D’autre part, l’´etiquetage
de la saveur des B requiert une bonne discrimination entre e±, µ±, K± et p±.
• Il doit ˆetre possible d’identifier des K0
L qui sont utilis´es dans des canaux comme
B0 → J/ψK0 L
Ces quelques points enonc´es ci dessus ont servi de fil directeur dans la conception du
d´etecteur BaBar [45].