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Thèse Année : 2010

Mesures précises de sections efficaces e^+e^− → Hadrons : tests du Modèle Standard et applications en QCD

B. Malaescu
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 854468

Résumé

The Standard Model (SM) of particle physics with gauge theories for strong and electroweak interactions is still unchallenged by experimental data. Looking for new physics beyond the SM, two approaches are traditionally followed: exploratory searches at the high energy frontier and precision tests at lower energies. The scope of this thesis is within the second approach, obtaining and using accurate data on e+e− annihilation into hadrons at energies of the order 1 GeV. These data represent a very valuable input for SM tests involving vacuum polarization, such as the comparison of the muon magnetic moment to theory, and for QCD tests and applications. The different parts of this thesis describe four aspects of my work in this context. (1) Measurements of cross sections as a function of energy necessitate the unfolding of data spectra from detector effects. I propose a new iterative unfolding method for experimental data, with improved capabilities compared to existing tools. We are able to unfold, in a dynamically stable way, data spectra which can be strongly affected by fluctuations in the background subtraction and simultaneously reconstruct structures which were not initially simulated. (2) The experimental core of this thesis is a study of the process e+e− to K+K− from threshold to 5 GeV using the initial state radiation (ISR) method (through the measurement of e+e− to K+K− gamma) with the BABAR detector. All relevant efficiencies are measured with experimental data and the absolute normalization comes from the simultaneously measured mu mu gamma process. I have performed the full analysis which achieves a systematic uncertainty of 0.7 % on the dominant phi resonance. The charged kaon form factor is obtained showing a fast decrease beyond the phi and some distinct structures in the 1.7-2.5 GeV region where vector resonances are known to exist. The energy behaviour at large energies is compared to QCD predictions. Also presented are results on e+e− to pi+pi− from threshold to 3 GeV for which I performed the unfolding and obtained the final results which are compared to existing data. (3) The prediction of the muon magnetic moment (expressed through its 'anomaly', i.e. the deviation from the Dirac value of the gyromagnetic ratio equal to 2) is done using the SM. Our work concerns only the hadronic vacuum polarization contribution obtained from e+e− data through a dispersion integral. As the same information can in principle be obtained for data on hadronic tau decays, we first update the comparative use of the two sources of input data and find a reduced difference between the corresponding evaluations. At the same time, the new tau-based estimate of the muon magnetic anomaly is found to be 1.9 standard deviations lower than the direct measurement. Then the new precise BABAR data are included in a combined analysis using tools (featuring improved data interpolation and averaging, more accurate error propagation and systematic validation) I developed. With the new data, the discrepancy between the e+e− and tau-based results for the dominant two-pion mode is further reduced, from previously 2.4 sigma to 1.5 sigma, in the dispersion integral, though significant local discrepancies in the spectra persist. We obtain for the e+e−-based evaluation a_μ^had LO = (695.5 +- 4.1)*10^-10, where the error accounts for all sources. The largest uncertainty for the SM prediction is still from hadronic vacuum polarization, but it is now below the experimental error. The present comparison between the direct measurement and our (e+e−-based) prediction shows an interesting hint for new physics (3.2 sigma effect). (4) QCD sum rules are powerful tools for obtaining precise information on QCD parameters, such as the strong coupling αS. This study should involve the complete measurement of e+e− to hadrons up to about 2 GeV. Since BABAR has not yet completely measured all hadronic processes, I worked on a similar situation using the spectral functions from tau decays measured by ALEPH. I discuss to some detail the perturbative QCD prediction obtained with two different methods: fixed-order perturbation theory (FOPT) and contour-improved perturbative theory (CIPT). The corresponding theoretical uncertainties are studied at the tau and Z mass scales. The CIPT method is found to be more stable with respect to the missing higher order contributions and to renormalisation scale variations. It is also shown that FOPT suffers from convergence problems along the complex integration contour. The reliability of a class of renormalon-based models for the Adler function is studied, in the context of the CIPT vs. FOPT comparison. It is found that these models are not enough constrained to be able to distinguish the best perturbative method to be used for the determination of α_S(m_τ^2). The α_S determination is revisited and a very precise result on α_S(m_τ^2) is obtained using CIPT (0.344 +- 0.005 (exp) +-0.007 (th)). When evolved to the Z mass, this value agrees with α_S(m_Ζ^2) directly measured from the Z width. This result is the most precise test of the α_S running in QCD.
Le Modèle Standard (MS) de la physique de particules avec les théories de jauge pour les interactions forte et électrofaible n'a pas encore été mis en défaut par les données expérimentales. Dans les recherches de nouvelle physique, au delà du MS, deux approches sont en général suivies : les recherches exploratoires à la frontière de haute énergie et des tests de précision à des énergies plus basses. Le but de cette thèse est dans le cadre de la deuxième approche, d'obtenir et utiliser des données précises des annihilations e+e− en hadrons, à des énergies de l'ordre 1 GeV. Ces données représentent un ingrédient important pour les tests du MS impliquant la polarisation du vide, comme par exemple la comparaison du moment magnétique du muon avec la théorie, ainsi que pour des tests de QCD et applications. Les différentes parties de cette thèse décrivent quatre aspects de mon travail dans ce contexte. (1) Les mesures de sections efficaces en fonction de l'énergie nécessitent la déconvolution des spectres de données des effets de détecteur. Je propose une nouvelle méthode itérative de déconvolution des données expérimentales, qui présente des améliorations par rapport aux outils existants. On peut déconvoluer, d'une manière dynamiquement stable, des spectres de données qui peuvent être fortement affectées par des fluctuations dans la soustraction du bruit de fond, et simultanément reconstruire des structures qui n'étaient pas initialement simulées. (2) Le coeur expérimental de cette thèse est constitué par l'étude du processus e+e− en K+K−, du seuil jusqu'à 5 GeV, utilisant la méthode de rayonnement dans l'état initial (ISR), par la mesure de e+e− en K+K− gamma avec le détecteur BABAR. Toutes les efficacités utiles sont mesurées utilisant les données expérimentales, et la normalisation absolue est fournie par la mesure simultanée du processus mu mu gamma. J'ai effectué l'analyse complète où une incertitude systématique de 0.7 % a été obtenue sur la résonance dominante, phi. Le facteur de forme du kaon chargé a été mesuré. Il présente une décroissance rapide au delà du phi et des structures distinctes dans la région 1.7-2.5 GeV, où on connaît l'existence de résonances de type vecteur. La dépendance en énergie, à haute masse, est comparée à la prédiction de QCD. On présente aussi les résultats du canal e+e− en pi+pi− , du seuil jusqu'à 3 GeV, pour lequel j'ai effectué la déconvolution des effets de détecteur et j'ai obtenu les résultats finals qui sont comparés avec les données existantes. (3) La prédiction pour le moment magnétique du muon (exprimée par l'intermédiaire de son 'anomalie', i.e. la déviation par rapport à la valeur de Dirac pour le rapport gyromagnétique égale à 2) est calculée dans le cadre su MS. Notre travail concerne seulement la contribution de polarisation hadronique du vide, obtenue à partir des données e+e− par une intégrale de dispersion. Comme la même information peut en principe être obtenue avec des données sur les désintégrations hadroniques du tau, on fait d'abord la mise à jour de la comparaison entre les utilisations des deux sources de données, et on trouve une différence réduite entre les évaluations correspondantes. Le nouveau résultat basé sur les données tau s'écarte de 1.9 déviations standard de la mesure directe. En suite, les nouvelles données précises de BABAR sont inclues dans une analyse combinée utilisant des outils (avec une procédure d'interpolation et moyennage de données améliorée, une propagation des incertitudes plus rigoureuse et une validation systématique) que j'ai développés. Avec les nouvelles données, le désaccord entre les résultats basés sur des données e+e− et tau pour le mode dominant 2 pi est réduit davantage, du 2.4 sigma précédent à 1.5 sigma, dans l'intégrale de dispersion, bien que des différences locales significatives entre les spectre persistent encore. Nous obtenons l'évaluation basée sur des données e+e− a_μ^had LO = (695.5 +- 4.1)*10^-10, où l'incertitude prend en compte toutes les sources. L'incertitude la plus grande pour la prédiction du MS est encore due à la polarisation hadronique du vide, mais elle est maintenant plus petite que l'erreur expérimentale. La comparaison actuelle entre la mesure directe et notre prédiction (basée sur les données e+e−) montre une indication intéressante de nouvelle physique (un effet à 3.2 sigma). (4) Les règles de somme de QCD sont des outils puissants pour obtenir des informations précises sur les paramètres de QCD, comme la constante de couplage fort α_S. Cette étude devrait faire usage de la mesure complète de e+e− en hadrons jusqu'à environ 2 GeV. Comme BABAR n'a pas encore mesuré complètement tous les processus hadroniques, j'ai travaillé sur une situation similaire utilisant les fonctions spectrales des désintégrations hadroniques du tau, mesurées par ALEPH. Je discute en détail la prédiction de QCD perturbatif, obtenue avec deux méthodes différentes : la théorie de perturbations à ordre fixe (FOPT) et la théorie de perturbations avec intégration de contour améliorée (CIPT). Les incertitudes théoriques correspondantes sont étudiées aux échelles de masse du tau et respectivement du Z. On trouve que la méthode CIPT est plus stable par rapport aux contributions manquantes d'ordre supérieur et par rapport à des changements de l'échelle de renormalisation. Il est également montré que FOPT souffre à cause de problèmes de convergence le long du contour d'intégration. La fiabilité d'une classe de modèles pour la fonction d'Adler, basée sur des renormalons, est étudiée dans le contexte de la comparaison entre CIPT et FOPT. On trouve que ces modèles ne sont pas suffisamment contraints pour qu'ils puissent identifier la meilleure méthode à utiliser pour la détermination de α_S(m_τ^2). La détermination de αS est mise à jour et une valeur très précise pour α_S(m_τ^2) est obtenue en utilisant CIPT (0.344 +- 0.005 (exp) +- 0.007 (th)). Une fois évoluée à la masse du Z, cette valeur est en accord avec α_S(m_Ζ^2) mesurée directement à partir de la largeur du Z. Ce résultat représente le test le plus précis du running de α_S en QCD.

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Dates et versions

tel-00519719 , version 1 (21-09-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00519719 , version 1

Citer

B. Malaescu. Mesures précises de sections efficaces e^+e^− → Hadrons : tests du Modèle Standard et applications en QCD. Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]. Université Paris Sud - Paris XI, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00519719⟩
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