Published September 1, 2023 | Version v1
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Search for rare four-body charm decays with electrons in the final state and long track reconstruction for the LHCb trigger

Description

The rare four-body charm decays D0 → π+π-e+e- and D0 → K+K-e+e- receive contributions from flavour-changing neutral current c →u l+l- transitions. Measurements of such decays are unique probes of beyond-the-standard-model effects as new heavy particles can contribute in electroweak quantum loops. The search for these rare charm decays is presented using a sample of proton-proton collisions data collected during the Run 2 of LHC (2015-2018), corresponding to an integrated luminosity of 6 fb-1 and recorded with a center-of-mass energy of 13 TeV at the LHCb experiment. The goal of the study is the first observation of these decays and their branching fraction measurement. The analysis is limited by the statistics and the low hardware-trigger efficiency on the electrons. The upgrade of the LHCb detector, which was recently completed and is now being commissioned, will record data with a five times greater instantaneous luminosity and with a new trigger system, and this analysis is therefore expected to greatly benefit from it. The trigger system was completely redesigned for the upgrade by removing the first-level hardware trigger stage and selecting events with a fully software-based trigger at the 30 MHz collision rate of the LHC. This demanding task is performed by the first step of the high-level trigger, optimised for Graphic Processing Units (GPUs). In order to select interesting events, the trigger must reconstruct the tracks traversing the whole LHCb detector and leaving hits in the three tracking detectors: the vertex locator, the upstream tracker and the scintillating fiber tracker. However, at the beginning of the Run 3 of LHC (2022), the upstream tracker was not yet installed, leading to the necessity of modifying the long track reconstruction strategy. A new algorithm presented in this thesis allows the reconstruction of tracks traversing the whole LHCb detector without using the upstream tracker information. This reconstruction method was successfully tested and commissioned throughout the 2022 data taking and currently used in production in 2023. (author)

Availability note (English)

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Abstract (French)

Les desintegrations rares a quatre corps de mesons charmes D0 → π+π-e+e- et D0 → K+K-e+e- recoivent des contributions par les transitions a courant neutre avec changement de saveur de type c →u l+l-. Les mesures de ces desintegrations sont fondamentales pour la recherche de physique au-dela du modele standard parce que des particules plus massives peuvent contribuer dans les boucles quantiques electrofaibles. La recherche de desintegrations charmees D0 → π+π-e+e- et D0 → K+K-e+e- est presentee sur ce manuscrit en utilisant des donnees de collisions proton-proton du Run 2 du LHC (2015-2018), qui correspondent a une luminosite integree de 6 fb-1 obtenues avec une energie au centre de masse de 13 TeV dans l'experience LHCb. Le but de l'analyse est la premiere observation de ces desintegrations et la mesure de leur rapports d'embranchement. L'analyse est toutefois limitee par la statistique et la faible efficacite de selection du systeme de declenchement de premier niveau. L'upgrade du detecteur LHCb, qui a ete recemment acheve et se trouve maintenant dans une phase de preparation, va prendre des donnees avec une luminosite instantanee cinq fois plus grande qu'au Run 2 avec un tout nouveau systeme de declenchement, dont l'analyse presentee ici va beneficier. Le systeme de declenchement a ete completement change en enlevant le premier niveau du systeme qui etait developpe sur un systeme electronique pur. Le nouveau systeme doit donc selectionner les evenements avec un systeme purement logiciel, directement au taux de collisions de 30 MHz du LHC. Ceci a ete developpe et optimise sur des processeurs graphiques (GPUs). Pour selectionner les evenements interessants et reduire le taux en entree, le systeme de declenchement doit reconstruire les traces dites longues, qui traversent tout le detecteur LHCb et laissant du signal sur les trois trajectographes de LHCb: le vertex locator, le upstream tracker et le scintillating fiber tracker. Cependant, pendant la prise de donnees de 2022, le upstream tracker n'a pas ete installe, ce qui veut dire que la strategie de reconstruction des traces longues devait etre modifiee. Un nouvel algorithme de reconstruction presente dans ce manuscrit permet la reconstruction des traces longues sans utiliser l'information de l'upstream tracker. Cette nouvelle methode a ete testee et mise en place en grandeur nature dans LHCb pendant la prise de donnees de 2022 et encore utilise couramment en 2023. (auteur)

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Original title (English)
Recherche de desintegrations rares a quatre corps de mesons charmes avec des electrons dans l'etat final et reconstruction de longues traces pour le systeme de declenchement de LHCb

Publishing Information

Imprint Pagination
196 p.
Report number
FRNC-TH--15255

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Notes
151 refs.