Study of the bottomonium decays at the Belle and Belle II experiments

Etude des désintégrations du bottomonium dans les expériences Belle et Belle II Le bottomonium est un état lié des quarks bb̅. Comme le quark b est lourd, le bottomonium est un système approximativement non relativiste, et est donc bien décrit par les modèles potentiels. Ces modèles donnent des prédictions précises pour leurs masses, leurs largeurs d'annihilation et les largeurs des transitions radiative et hadronique. Toutefois les expériences Belle et BaBar découvrent en 2008 que les transitions dipioniques de l'état Y(5S) sont mesurées à un taux plus beaucoup plus élevé que celui prédit par ces modèles, une violation de la règle OZI. Tandis que les transitions ƞ ne sont pas supprimées par rapport aux transitions dipioniques, une violation importante de la symétrie de spin du quark lourd car les transitions ƞ impliquent un retournement de spin du quark b. Par la suite, d'autres transitions aux propriétés anormales seront découvertes. Les propriétés anormales de ces états indiquent que leur structure pourrait être plus complexe qu'une paire de quarks bb̅. Il est aussi observé que seuls les états au-dessus du seuil BB̅ présentent des propriétés inattendues, ce qui indique que ces états pourraient être en fait «habillés» avec une composante moléculaire de mésons BB̅ on-shell. D'autres explications exotiques sont aussi proposées comme hybrides, tétraquarks compacts et hadroquarkonia. Deux états chargés, Zb(10610) et Zb(10650) , ont été observés ; la teneur minimale en quarks correspondante est exotique. Comme leurs masses sont très proches des seuils BB̅* et B*B̅*, ce sont probablement des états moléculaires. L'étude des états de type bottomonium hautement excités est cruciale pour comprendre l'interaction forte dans un régime non perturbatif. Dans ce travail, nous étudions diverses transitions hadroniques à partir des états Y(4S), Y(10753) et Y(5S), ce qui aide à déterminer leur structure. L'état Y(10753) a été récemment observé par l'expérience de Belle en étudiant la dépendance en énergie des sections efficaces e⁺e⁻→Y(nS)π⁺π⁻ (n = 1, 2, 3). Pour confirmer et étudier ce nouvel état, Belle II a effectué un scan dans la région d'énergie correspondante. Nous utilisons ces données pour rechercher les transitions Y(10753)→ƞb(1S)ω et Y(10753)→χb(1P)ω et les échantillons de données 711 fb⁻¹ et 121 fb⁻¹ collectés par Belle à Y(4S) et Y(5S), respectivement, pour rechercher les transitions Y(4S)→ƞb(1S)ω et Y(5S)→ƞb(1S,2S)ω. Enfin, avec les échantillons de données Y(5S) et le scan de Belle nous recherchons la transition Y(5S)→Y(1S)K⁺K⁻ et sa section efficace e⁺e⁻→Y(1S)K⁺K⁻. Le manuscrit est organisé comme suit. Le chapitre 1 introduit les concepts de base de la QCD et de la physique du bottomonium, l'état actuel des études expérimentales et théoriques du bottomonium, en mettant l'accent sur les états au-dessus du seuil de saveur ouvert et les modèles phénoménologiques qui les décrivent. Le chapitre 2 décrit les détecteurs Belle et Belle II et les collisionneurs KEKB et SuperKEKB. Nous portons une attention particulière aux améliorations apportées pour cette deuxième génération. Dans le chapitre 3, nous présentons une recherche des désintégrations Y(4S,5S)→ƞb(1S,2S)ω en utilisant la reconstruction inclusive du méson ω à Belle. Aucun signal n'est observé et nous obtenons des limites supérieures sur les sections efficaces respectives. Dans le chapitre 4, nous présentons une recherche de processus e⁺e⁻→ƞb(1S)/χb0(1P)ω à Belle II en utilisant une méthode de reconstruction partielle. Nous ne trouvons aucun signal et obtenons des limites supérieures sur les sections efficaces respectives. Le chapitre 5 présente une étude de la dépendance en énergie de la section efficace e⁺e⁻→Y(1S)K⁺K⁻, ainsi qu'une recherche de Y(5S)→Y(1S)K⁺K⁻ en utilisant les données de Belle. La décroissance Y(5S)→Y(1S)K⁺K⁻ est observée et les distributions de ses variables dynamiques sont étudiées. Le dernier chapitre 6 discute l’ensemble des résultats obtenus et leur impact sur les modèles théoriques existants.