L'expérience LHCb , exploitée au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, a enregistré avec succès les collisions de protons au cours des Runs 1 et 2 du LHC, avant de faire l'objet d'une jouvence de détecteur avant le redémarrage du LHC en 2022 pour le Run 3. Grâce à un système de déclenchement robuste et flexible, la luminosité intégrée à la fin du Run 2 a atteint le niveau de 9 fb-1. L'objectif du premier upgrade de l'expérience LHCb est d'enregistrer 50 fb-1 d'ici 2033. Alors que le Run 3 est en cours, la collaboration LHCb vise à augmenter encore la luminosité d'un facteur 10 par rapport aux conditions actuelles avec un nouvel upgrade majeur en 2034. Le détecteur LHCb Upgrade II devrait prendre des données pendant le Run 5 du LHC, pour accumuler 300 fb-1 d'ici à la fin du LHC de haute luminosité. Pour faire face aux conditions de prise de données au HL-LHC, de nombreux sous-détecteurs devront être mis à niveau, y compris le calorimètre actuel, essentiel à la reconstruction des particules électromagnétiques et neutres comme les pions neutres et les photons.

L'objectif physique de l'expérience LHCb consiste à étudier avec une grande précision les désintégrations rares et les phénomènes de violation de CP dans le secteur des saveurs lourdes (b, c et τ). Les transitions entre saveurs de quarks chargés sont décrites dans le Modèle Standard (MS) par la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), qui relie les états propres de masse des quarks aux états propres électrofaibles. Cette matrice est intimement liée à la brisure spontanée de la symétrie électrofaible. L'existence d'une phase non nulle dans cette matrice est l'unique source de violation de CP dans le MS et l'essentiel de ce que nous pouvons apprendre expérimentalement sur cette quantité est apporté par les observables appartenant aux phénomènes de désintégration et de mélange des b-hadrons. Le paradigme KM est établi comme la principale source de violation de CP à l'échelle électrofaible. Pourtant, tout porte à croire (principalement grâce aux observations cosmologiques) que de nouvelles sources de violation de CP doivent exister. Les analyses de physique développées dans notre groupe s'inscrivent dans ce cadre.

Notre équipe vise à mesurer les phases faibles qui gouvernent les amplitudes des phénomènes de mélange des mésons B0d et B0s. Ces phases sont identifiées dans le MS aux angles β et βs de la matrice CKM. Ces mesures peuvent être réalisées au moyen d'analyses dépendant du temps des désintégrations B sans charme telles que B0 →η′K0S . Elles constituent un défi expérimental en raison des multiples modes de désintégration considérés pour la reconstruction du méson η′, qui comprennet un photon ou un π0 dans l'état final. Un élément important, qui est la clé de toutes les analyses de CP et de mélange effectuées dans le LHCb, est la détermination de la saveur du méson B neutre au moment de sa production : l'étiquetage de saveur (FT). La précision des paramètres physiques mesurés est en fin de compte directement liée aux performances du FT. Les techniques avancées de Deep Machine Learning semblent prometteuses pour améliorer les performances du FT, ce qui aurait un impact majeur sur un large éventail de la physique accessible à LHCb. La thèse se concentrera principalement sur l'analyse des données collectées par le détecteur LHCb pendant le Run 3. Des contributions significatives sont également attendues pour l'étude des améliorations du FT, ainsi que pour le calorimètre PicoCal pour l'Upgrade II du détecteur LHCb.

Le plan de mobilité pour cette cotutelle est, à ce jour, prévu comme suit : la première année et demie se déroulera à Clermont suivie d'une année à Bologne ; l'étudiant sélectionné reviendra à Clermont pour les 6 derniers mois, où se tiendra la soutenance de la thèse.
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The LHCb experiment , operating at the Large Hadron Collider at CERN, has successfully recorded proton collisions during the LHC Run 1 and 2 before undergoing a major upgrade before the restart of the LHC in 2022 for Run 3, allowing the detector to accumulate high quality data at a rate increased by a factor∼5. Thanks to a robust and flexible trigger system, the integrated luminosity at the end of Run 2 reached the level of 9 fb−1, with a target of∼50 fb−1 by 2033. While Run3 is ongoing, the LHCb collaboration is targeting to further increase the luminosity by a factor∼10 compared to current conditions. The LHCb Upgrade II detector is expected to take data during the LHC Run 5 allowing to accumulate∼300 fb−1 by the end of the LHC. To cope with the difficult data-taking conditions, many sub-detectors will need to be upgraded, including the current calorimeter, essential in the reconstruction of electromagnetic and neutral particles such as π0 and photons. The Physics objectives of the LHCb experiment consists in the high precision studies of rare decays and CP violation phenomena in the heavy flavours (b, c, and τ) sector.

The charged current quark flavour transitions are described in the Standard Model (SM) by the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix, which relates the quark mass eigenstates to the electroweak eigenstates. This is intimately linked to the spontaneous symmetry breaking of the electroweak symmetry. The existence of a non vanishing phase in that matrix is the unique source of CP violation in the SM and most of what we can learn experimentally on this quantity is brought by the observables belonging to the b-hadron decays and mixing phenomena. The LHCb experiment started at the moment when the B-factories experiments (BaBar and Belle) completed their Physics program. The science produced at these facilities is simply impressive. The KM paradigm is actually established as the main source of CP violation at the electroweak scale. Yet, there are strong indications (mostly driven by cosmological observations) that new sources of CP violation must exist. The LHCb experiment is expected to improve the precision on CKM parameters in particular (it already did in some respects) and constrain further if not unravel these new CP violation sources. The Physics analyses developed in our group belong to this framework.

Our team aims at measuring the weak phases which govern the amplitudes of the B0d and B0s

mixing phenomena, which can be identified in the SM with the CKM angles β and βs. This can be realised by means of time-dependant analyses of the charmless B decays such as B0 →η′K0S. These measurements are experimentally challenging due to the multiple decay modes considered for the η′ reconstruction including photons and π0 in the final state. An important ingredient, which is key for all CP and mixing analysis performed in LHCb, is the determination of the flavour of the decaying neutral B meson, often referred to as flavour tagging (FT). The precision on the measured physics parameters are ultimately directly linked to the FT performances. Advanced Deep Machine Learning techniques appear promising to improve the FT performances, which would have a major impact on a wide range of measurements performed in the LHCb collaboration.

The Thesis will primarily focus on analysing the data collected by the LHCb detector during Run 3. Significant contributions are also expected to the study of flavour tagging improvements, as well as to the PicoCal calorimeter for the Upgrade II of the LHCb detector.

The mobility scheme for this co-tutelle is, to date, planned as : the first year and a half will happen in Clermont followed by a year in Bologna; the selected student will return in Clermont for the last 6 months, where the defence of the thesis will be held.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Funding category: Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral