B flavour tagging with leptons and measurement of the CP violation phase phi_s in the B_s^0 -> J/psi phi decay at the CMS experiment

This thesis presents the development and optimization of an algorithm used to determine the flavour at production time of neutral B^0 and B_s^0 mesons. The flavour tagging algorithm developed in this thesis exploits muons and electrons produced in the semileptonic decay of the additional b-hadron produced in pp -> bbX collisions at the LHC. The charge of the lepton is used to infer the flavour of the neutral b-meson. Three simulated samples of B_s^0 -> J/psi phi, B^+ -> J/psi K^+ and B^0 -> J/psi K* decays are exploited to develop and test the algorithm. Two independent neural networks are defined for muons and electrons, trained on 24 000 and 20 400 simulated B_s^0 -> J/psi phi events respectively, to parametrize the probability of wrong flavour tag omega of the algorithm. The tagging performances are further measured and calibrated on a sample of self-tagging B^+ -> J/psi K^+ decays collected by the CMS experiment during 2012, corresponding to 20 fb^-1 . The charge of the kaon univocally determines the flavour of the B^+ at production time and allows the direct measure of the mis-identification probability. A tagging power P_tag = epsilon_tag (1 - 2 omega )^2 of 0.833 +/- 0.024 (stat.) +/- 0.012 (syst.) % is measured using muons and 0.483 +/- 0.020 (stat.) +/- 0.003 (syst.) % using electrons. Combining the two algorithms results in the overall tagging power of 1.307 ± 0.031 (stat.) ± 0.007 (syst.) %. The combined lepton flavour tagging algorithm is used in the measurement of the charge-parity (CP) violation parameters phi_s and DeltaGamma_s , sensitive to potential new physics processes not included in the standard model description. A time-dependent and flavour-tagged full angular analysis of the mu^+ mu^- K^+ K^- final state of the B_s^0 -> J/psi phi decay is performed based on the 2012 CMS dataset. A total of 49 000 reconstructed B_s^0 decays are used to extract the weak phase phi_s and decay with difference DeltaGamma_s values: phi_s = -0.075 +/- 0.097 (stat.) +/- 0.031 (syst.) rad DeltaGamma_s = 0.095 +/- 0.013 (stat.) +/- 0.007 (syst.) ps^-1

In questa tesi e' presentato lo sviluppo e l'ottimizzazione di un algoritmo per la determinazione del sapore di produzione di mesoni neutri B^0 e B_s^0 , che sfrutta muoni ed elettroni prodotti nel decadimento semileptonico dell'altro adrone-b prodotto nel processo pp -> bbX a LHC. La carica dei leptoni e' utilizzata per identificare il sapore del mesone-b neutro. Tre campioni di eventi simulati contenenti i decadimenti B_s^0 -> J/psi phi, B^+ -> J/psi K^+ e B^0 -> J/psi K^+ sono sfruttati per lo sviluppo e il controllo delle prestazioni dell'algoritmo. Due reti neurali sono definite separatamente per muoni ed elettroni ed utilizzate per parametrizzare la probabilita' di errata attribuzione del sapore omega dell'algoritmo, utilizzando rispettivamente 24 000 e 20 400 eventi simulati contenenti decadimenti B_s^0 -> J/psi phi. Le prestazioni dell'algoritmo sono inoltre misurate e calibrate su un campione di eventi B^+ -> J/psi K^+ raccolti dall'esperimento CMS nel corso del 2012, pari a 20 fb^-1 . La carica del kaone determina univocamente il sapore del B+ al momento della produzione e consente la misura diretta della probabilita' di errata attribuzione del sapore. Il potere di identificazione dell'algoritmo P_tag = epsilon_tag (1 - 2 omega )^2 , e' misurato essere pari a 0.833 +/- 0.024 (stat.) +/- 0.012 (syst.) % per i muoni e 0.483 +/- 0.020 (stat.) +/- 0.003 (syst.) % per gli elettroni. Il potere di identificazione risultante dalla combinazione dei due algoritmi e' 1.307 +/- 0.031 (stat.) +/- 0.007 (syst.) %. L'algoritmo combinato di identificazione del sapore e' utilizzato nella misura dei parametri phi_s e DeltaGamma_s di violazione della simmetria CP, sensibili a potenziali processi di nuova fisica non inclusi nella descrizione del modello standard. Utilizzando il campione di dati raccolti dall'esperimento CMS nel corso del 2012, e' eseguita una analisi angolare dipendente dal tempo dello stato finale mu^+ mu^- K^+ K^- del decadimento B_s^0 -> J/psi phi, includendo nell'analisi l'algoritmo di identificazione del sapore. Un totale di 49 000 decadimenti ricostruiti del mesone B_s^0 sono utilizzati per estrarre il valore sperimentale della fase debole phi_s e la differenza di vita media DeltaGamma_s : phi_s = -0.075 +/- 0.097 (stat.) +/- 0.031 (syst.) rad DeltaGamma_s = 0.095 +/- 0.013 (stat.) +/- 0.007 (syst.) ps^-1