Publication

Amplitude analysis for the measurement of the photon polarisation in B rightarrow K pi pi gamma decays

Violaine Bellée
2020
Thèse EPFL
Résumé

This work proposes a method to measure the photon polarisation in B+K+ππ+γB^+ \rightarrow K^+ \pi^- \pi^+ \gamma decays and prepares the necessary elements for this measurement using the data sets collected by the LHCb experiment at CERN in 20112011, 20122012, 20162016 and 20172017.

In the Standard Model of particle physics, the photon emitted in bsγb \rightarrow s \gamma transitions is predicted to be mostly left-handed. Additional couplings that enhance the right-handed photon component could be introduced by some new physics models. A direct and precise experimental test of the photon handedness is still missing. Thanks to the interference between various hadronic resonances in the K+ππ+K^+ \pi^- \pi^+ system, B+K+ππ+γB^+ \rightarrow K^+ \pi^- \pi^+ \gamma decays give access to a photon polarisation parameter λγ\lambda_{\gamma}, which is predicted to be +1+1 in the Standard Model up to small corrections of the order of ms2/mb2m_s^2/m_b^2. The value of this parameter has never been measured in these decays and could help constrain new physics effects.

This thesis presents a method to measure the photon polarisation parameter using a complex amplitude analysis in the five-dimensional phase-space of B+K+ππ+γB^+ \rightarrow K^+ \pi^- \pi^+ \gamma decays. The performed studies demonstrate that, in the ideal case of a background-free sample without distortions due to experimental effects, and ignoring the differences between non-factorisable hadronic parameters between the resonances in the K+ππ+K^+ \pi^- \pi^+ system, this amplitude analysis allows the measurement of the photon polarisation with a statistical uncertainty of around 0.0180.018 with a sample of 14,000 B+K+ππ+γB^+ \rightarrow K^+ \pi^- \pi^+ \gamma decays, corresponding to the signal statistics for LHCb in 20112011 and 20122012.

The second part of this work consists in the selection and mass fit of B+K+ππ+γB^+ \rightarrow K^+ \pi^- \pi^+ \gamma decay candidates using a total of 6.6fb16.6\,fb^{-1} of data collected by LHCb at centre-of-mass energies of 77, 88 and 1313 TeV, in order to prepare for an amplitude analysis of these decays. After the selection and mass fit, a total of 47,449±32147,449 \pm 321 signal candidates are found, and a background-subtraction method is applied in order to obtain signal-like data sets that will be used in the amplitude fit.

A roadmap for the amplitude analysis of B+K+ππ+γB^+ \rightarrow K^+ \pi^- \pi^+ \gamma decays using LHCb data is also presented, and the main sources of systematic uncertainties that are expected to affect the measurement of λγ\lambda_{\gamma} are described, as well as suggested methods to evaluate them. Finally, the sensitivity of the measurement in the presence of background is evaluated and the resulting uncertainty on λγ\lambda_{\gamma} is of the order of 0.0280.028, indicating good prospects for the future amplitude analysis.

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