German Title: Suche nach B(c)+ → µ+νγ Zerfällen mit dem LHCb Experiment und Weiterentkicklung des elektromagnetischen Kalorimeters

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Abstract

Knowledge of the internal structure of the B+ meson is crucial for precise theory predictions of B+ meson decays. In particular, the first inverse moment of the B+-meson light-cone distribution amplitude (LCDA) is a key ingredient in QCD factorisation schemes. Inferring the value of the first inverse moment from theory models is very challenging and often limits the precision of theory predictions. Instead, it is proposed to infer its value from experimental data. The radiative leptonic decay B+ → µ+νγ is considered the golden mode to probe the internal structure of the B+ meson, as its branching fraction is sensitive to the first inverse moment of the B+-meson LCDA. Studies of radiative leptonic decays of Bc+ mesons, on the other hand, allow to infer the dynamics in the bound Bc+ meson system. This thesis presents the simultaneous search for B+ → µ+νγ and Bc+ → µ+νγ decays using data recorded with the LHCb experiment in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV from 2016 to 2018, corresponding to an integrated luminosity of 5.4 fb−1 . The decays are reconstructed from photons converting to di-electron tracks in the detector material, which provide three tracks and a displaced decay vertex. The main challenge is to identify and suppress background from π0 → γγ decays, for which novel techniques are developed. The study aims to improve the current best limit on the branching fraction for B+ → µ+νγ decays and set the first limit on the branching fraction for Bc+ → µ+νγ decays. The expected limits on the branching fractions for radiative leptonic decays are of the order of 10−6 for decays of B+ mesons and 10−4 for the decay of Bc+ mesons. With the LHCb experiment aiming to collect data at higher instantaneous luminosities in future runs, the detector is upgraded. This thesis reports on the organisation of the cabling of the electromagnetic calorimeter and presents performance studies of the particle identification system for Run 4 for different upgrade scenarios.

Translation of abstract (German)

Die Kenntnis der inneren Struktur des B+-Mesons ist für präzise theoretische Vorhersagen der Zerfälle von B+-Mesonen von entscheidender Bedeutung. Insbesondere das inverse Moment erster Ordnung der „light- cone distribution amplitude" (LCDA) des B+-Mesons, λB, ist ein wichtiger Bestandteil von QCD-Faktorisierungsschemata. Den Wert des inversen Moments erster Ordnung aus theoretischen Modellen abzuleiten, ist schwierig und limitiert häufig die Genauigkeit theoretischer Vorhersagen. Alternativ kann der Wert auch aus experimentellen Daten abgeleitet werden. Der leptonische Zerfall unter Aussendung eines Photons, B+ → µ+νγ, ist gut geeignet, um die innere Struktur des B+-Mesons zu untersuchen, da sein Verzweigungsverhältnis direkt von λB abhängt. Die Studien zum analogen Zerfall von Bc+-Mesonen ermöglichen vergleichbare Rückschlüsse auf die Dynamik im gebundenen Bc+-Meson. Diese Arbeit präsentiert die simultane Suche nach B+ → µ+νγ und Bc+ → µ+νγ-Zerfällen in Daten, die mit dem LHCb-Experiment in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV von 2016 bis 2018 aufgezeichnet wurden, was einer integrierten Luminosität von 5,4 fb−1 entspricht. Für die Rekonstruktion des Zerfalls werden Photonen genutzt, die im Detektormaterial in ein Elektron-Positron-Paar umgewandelt werden. Daraus lässt sich der vom Primärvertex separierte Zerfallsvertex aus drei Spuren rekonstruieren. Die größte Herausforderung besteht darin, Hintergrundereignisse aus π0 → γγ-Zerfällen zu identifizieren und zu reduzieren, wofür neue Techniken entwickelt wurden. Das Ziel der vorgelegten Arbeit ist, die derzeitige obere Schranke für das Verzweigungsverhältnis für B+ → µ+νγ-Zerfälle zu verbessern und die erste obere Schranke für das Verzweigungsverhältnis für Bc+ → µ+νγ-Zerfälle zu bestimmen. Die erwarteten Sensitivitäten für die Verzweigungsverhältnisse der untersuchten Zerfälle liegen in der Größenordnung von 10−6 für Zerfälle von B+-Mesonen und 10−4 für Zerfälle von Bc+-Mesonen. Da das LHCb-Experiment in Zukunft Daten bei höheren instantanen Luminositäten aufzeichnen soll, wird der Detektor derzeit umgebaut. In dieser Arbeit werden die Planung zur Verkabelung des elektromagnetischen Kalorimeters und Studien zur Leistungsfähigkeit des Systems zur Teilchenidentifikation in Run 4 für verschiedene Szenarien vorgestellt.