Thèse Étude de la Dynamique des Désintégrations Hadroniques du Lepton Tau avec le Détecteur Belle Ii H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie Direction de la thèse : Zhiqing ZHANG ORCID 0000000278539079 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-15T23:59:59 Le lepton tau, découvert en 1975, est le seul lepton chargé connu du modèle standard suffisamment lourd pour se désintégrer non seulement de manière leptonique, mais aussi hadronique. Ces désintégrations ont permis de réaliser de nombreuses mesures de précision et ont ouvert la voie à la recherche d'une physique au-delà du modèle standard. Sa masse et sa durée de vie ont été mesurées avec précision par de nombreuses expériences. Les rapports de branchement de ses modes de désintégration dominants ont également été mesurés avec précision par des expériences telles qu'ALEPH au LEP il y a plus de 20 ans. Cependant, les fonctions spectrales, éléments fondamentaux reliant la description à longue distance (résonances) à la description à courte distance de la QCD, ne sont mesurées que pour quelques modes hadroniques, et avec une précision limitée. Notre connaissance de la dynamique des modes de désintégration à états finaux multiples est encore plus limitée. En effet, des écarts importants sont observés entre les fonctions spectrales mesurées et les prédictions de TAUOLA, le seul générateur d'événements Monte Carlo disponible. Ceci démontre la nécessité d'améliorer notre compréhension de la dynamique des désintégrations hadroniques et de leur modélisation dans ce générateur d'événements. Une voie possible pour atteindre cet objectif est d'étudier la dynamique des désintégrations hadroniques par des analyses d'ondes partielles. À ce jour, seule une analyse préliminaire a été réalisée par l'expérience Belle dans le canal de désintégration +.

La thèse proposée consiste à réaliser l'analyse d'ondes partielles en combinant les efforts actuels dans ce canal avec le détecteur amélioré Belle II et un échantillon de données en constante augmentation. La collaboration prévoit d'atteindre 1 ab1 d'ici la fin de l'année. Il s'agira alors du plus grand échantillon de données sur le tau jamais disponible au monde. L'analyse pourrait être étendue à d'autres modes de désintégration, par exemple K, l'un des modes de désintégration du quark étrange nécessaire pour comprendre l'écart actuel sur l'élément de matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Vus entre la mesure du tau et la contrainte d'unitarité.

La première étape de cette thèse consiste à comprendre la dynamique de désintégration et à la modéliser à l'aide de paramètres issus de la décomposition en ondes partielles. Ces paramètres sont ensuite ajustés à partir des distributions de désintégration, c'est-à-dire des différentes masses invariantes et angles, obtenues par l'analyse des données de Belle II. Enfin, les paramètres ajustés obtenus seront comparés à ceux de la simulation.

Les résultats de l'analyse en ondes partielles permettront d'améliorer la modélisation dans les études de simulation nécessaires aux mesures telles que les moments électrique et magnétique du tau et les paramètres de Michel, sensibles à la physique au-delà du modèle standard. Ces travaux auront également un impact sur de nombreuses analyses, tant au sein qu'à l'extérieur de Belle II, qui reposent sur la modélisation détaillée des désintégrations du tau.

L'encadrement de la thèse sera assuré conjointement par Zhiqing Zhang, qui se chargera des analyses de données et de la modélisation du bruit de fond, et Emi Kou, qui se consacrera à la modélisation théorique des différentes ondes de résonance. François Le Diberder, grâce à ses connaissances en statistiques et en ajustement, Aurélien Martens, fort de son expérience dans l'analyse à trois pions, et Roman Miziuk, grâce à son expertise dans les analyses d'ondes partielles des désintégrations du méson B, apporteront leur soutien. Le sujet de la thèse proposée s'inscrit parfaitement dans le cadre de notre récente collaboration IJCLab-IFJ PAN, et plus particulièrement au sein du projet TAUOLA. Elle contribuera également à renforcer les activités de recherche en cours sur la physique du lepton tau au sein du groupe Belle II de l'IJCLab.
Le lepton tau joue un rôle crucial, soit comme signal, soit comme source de bruit de fond dominante, pour les mesures de précision et la recherche de nouvelle physique. Dans les deux cas, sans une connaissance précise de la dynamique de ses désintégrations hadroniques, le pouvoir prédictif du générateur d'événements actuel est limité. L'objectif est de réunir tous les éléments nécessaires à une première analyse d'ondes partielles dans un mode hadronique de désintégration du lepton tau, à partir des données de l'expérience Belle II. Ceci nous permettra de mieux comprendre la dynamique de ces désintégrations hadroniques.

Le candidat doit posséder une bonne connaissance des langages informatiques modernes. De solides connaissances en physique des particules sont fortement souhaitables. Il/Elle consacrera une partie de son temps à des tâches de service (opération du détecteur en ligne ou hors ligne et tâche de qualification) pour la collaboration Belle II.