Désintégration des mésons B. Méthodes d'extraction des angles décrivant la violation de CP. Théorie effective des facteurs de forme lourd à léger.
Résumé
This thesis, which is divided into two parts, presents a study of the weak interaction of heavy quarks. The aim is to help determine the fundamental parameters of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa mixing matrix, but also to bring an insight into the hadronic structure. The theoretical problems concerning CP-violation that may affect the extraction of the angles of the Unitarity Triangle are handled with. A first aspect is related to the hadronic uncertainties due to the penguin contributions. As for the decay B -> pi+pi-, an exact and simple description of these effects is proposed in terms of a single parameter, which may be constrained by phenomenological means. A second aspect concerns the discrete ambiguities on the CP angles and the phase space analyses which allow to lift them: the invariant mass distribution of events for the decays into three pseudoscalar mesons, and the angular distribution for the decays into hyperon and antihyperon. In the second part of the thesis, the form factors that describe the heavy-to-light transitions such as B -> pi(rho) l nu, B -> K* gamma et B -> K(*) l+l- are studied within an effective field theory framework ; they are at the core of the determination of, e.g., |Vub| et |Vts|. In the heavy mass and final hadron large energy limit and neglecting radiative corrections, it is shown that only three independent form factors describe the matrix elements B -> P and B -> V, where P (V) stands for a pseudoscalar (vector) meson which should be light with respect to the B. Moreover, the dependence of these form factors with respect to the heavy mass M and large energy E may be factorized as sqrt{M} x z(E), and one expects more specifically a sqrt{M} / E^2 behaviour. These predictions, that hold to leading order in 1/M, 1/E and alpha_s, are satisfied exactly by the QCD sum rules on the light-cone, and by a particular covariant class of constituent quark models, constructed according to the Bakamjian-Thomas formalism.
Cette thèse se compose de deux parties distinctes, qui ont pour objectif l'étude de l'interaction faible des quarks lourds. Elle s'inscrit dans le contexte de la détermination des paramètres fondamentaux de la matrice de mélange de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa, mais apporte également des éléments de compréhension de la structure hadronique. À propos de la violation de CP, on aborde les problèmes théoriques qui peuvent se poser lors de l'extraction des angles du Triangle d'Unitarité. Un premier aspect concerne les incertitudes hadroniques générées par les diagrammes pingouin. Dans le cas classique de la désintégration B -> pi+pi-, on propose une description exacte très simple de ces effets, à un seul paramètre, ce qui permet de les contrôler avec des hypothèses phénoménologiques. Un deuxième aspect concerne les ambiguïtés discrètes sur les angles CP et les analyses en espace des phases qui permet de les discriminer : la distribution en masses invariantes pour les désintégrations en trois mésons pseudoscalaires, et la distribution angulaire pour les désintégrations en hypéron et antihypéron. Dans la seconde partie de la thèse, on étudie les facteurs de forme qui décrivent les transitions lourd à léger, du type B -> pi(rho) l nu, B -> K* gamma et B -> K(*) l+l- ; ceux-ci sont au coeur de la détermination de |Vub| et |Vts| par exemple. En utilisant une approche de théorie effective, dérivée de QCD dans la limite de masse lourde initiale et de grande énergie du hadron final, et négligeant les corrections radiatives, on montre que trois facteurs de forme indépendants suffisent à décrire les transitions B -> P et B -> V, où P (V) désigne un méson pseudoscalaire (vecteur) léger par rapport au B. De plus, la dépendance de ces facteurs de forme vis-à-vis de la masse lourde M et de la grande énergie E est factorisable en racine(M) x z(E), et on s'attend plus précisément à un comportement en racine(M) / E^2. Ces prédictions, valables à l'ordre dominant en 1/M, 1/E et alpha_s, sont vérifiées exactement dans le cadre des règles de somme de QCD sur le cône de lumière, ainsi que dans une certaine classe de modèles covariants de quarks constituants, construits selon la prescription de Bakamjian-Thomas.