Study of semitauonic and semimuonic $\Lambda_b^0 \rightarrow \Lambda_c^{*+}l^-\bar \nu_l$ decays at LHCb

In this thesis the $\Lambda_b^0 \rightarrow \Lambda_c^{*+}\tau^-\bar \nu_\tau$ and $\Lambda_b^0 \rightarrow \Lambda_c^{*+}\mu^-\bar \nu_\mu$ decays have been investigated. In particular, the first measurement of the ratio $R(\Lambda_c^{*}) =\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \rightarrow \Lambda_c^{*+}\tau^-\bar \nu_\tau)/\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \rightarrow \Lambda_c^{*+}\mu^-\bar \nu_\mu)$ has been performed using a sample of LHC $pp$ collision data corresponding to 2 fb$^{-1}$ of integrated luminosity, recorded by the LHCb detector in the 2012. Only the excited state $\Lambda_c^{+}(2625)$ have been reconstructed, particularly in $\Lambda_c^{*+} \rightarrow \Lambda_c^{+}(\rightarrow pK^{-}\pi^+)\pi^+\pi^-$ decay mode and only the muonic decays of $\tau$ are considered, $\tau^- \rightarrow \mu^-\bar\nu_\mu \nu_\tau$.\\ This measurement is of great interest in order to confirm or disprove the discrepancies with respect to SM predictions found in analogue measurement performed on mesonic decays. Moreover it is the first measurement focused on baryonic decays.\\ The ratio is measured by fitting the output of the neural network distribution of the data based on the missing mass square, the energy of the lepton in the $\Lambda_b^0$ rest frame and a Fisher discriminant output build using the $\Lambda_b^0$ decay vertex informations. The fit has been performed simultaneously on transferred momentum and isolations bins. The last variable allows to select a sample enriched of double charmed $\Lambda_b^0$ decays.\\ The $R(\Lambda_c(2625))$ is measured to be consistent with the Standard Model expectation ($R_{exp}(\Lambda_c(2625))=0.151\pm0.014$) and equal to \begin{displaymath} R(\Lambda_c(2625)) = 0.238 \pm 0.108(stat) \pm 0.058(syst) \end{displaymath} However, at the moment, it is dominated by statistical error. The run II LHC data (at least 5 fb$^{-1}$ of integrated luminosity) will allow to have a statistical error competitive with the systematic one, assuming to perform the analysis using the same strategy. \\ Moreover, by using the fit result, the differential decay rate $(1/\Gamma) d\Gamma/dq^2(\Lambda_b \rightarrow \Lambda_c^*\mu\bar\nu_\mu)$, considering the unfolding of the raw spectrum for the $q^2$ resolution and the selection efficiency, has been determined. \\ Finally, it is presented a new method to determine the b-hadron momentum in a semileptonic decays of this one at a hadron collider. In fact, in this environment, due to the presence of one or more neutrinos, to unknown parton-parton collision energy and the busy hadronic environment, is not possible to reconstruct the b-hadron momentum in the laboratory rest frame using final particles. As a consequence, the decays kinematics can be solved only up to a quadratic ambiguity. To solve this problem in this thesis is also presented a new method, based on a multivariate regression algorithm developed which exploits the informations that can be extracted by b-hadron flight vectors to infer its momentum. The improved resolutions may be exploited to measure the differential decay width $d\Gamma(H_b\to H\mu\bar\nu_\mu)/dq^2$ with high precision because of the reduced migrations between the $q^2$ bins.

In questa tesi sono stati investigati i decadimenti $\Lambda_b^0 \rightarrow \Lambda_c^{*+}\tau^-\bar \nu_\tau$ and $\Lambda_b^0 \rightarrow \Lambda_c^{*+}\mu^-\bar \nu_\mu$. In particolare, è stata eseguita la prima misura del rapporto $R(\Lambda_c^{*}) =\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \rightarrow \Lambda_c^{*+}\tau^-\bar \nu_\tau)/\mathcal{B}(\Lambda_b^0 \rightarrow \Lambda_c^{*+}\mu^-\bar \nu_\mu)$, utilizzando i prodotti delle interazioni tra protoni che avvengono nell'acceleratore LHC. Il campione corrisponde a 2 fb$^{-1}$ di luminosità integrata, raccolti dal rivelatore LHCb nel 2012. Sono stati ricostruiti soltanto gli stati eccitati $\Lambda_c^{+}(2625)$ ,dove $\Lambda_c^{*+} \rightarrow \Lambda_c^{+}(\rightarrow pK^{-}\pi^+)\pi^+\pi^-$ e $\tau^- \rightarrow \mu^-\bar\nu_\mu \nu_\tau$. Questa misura è di grande interesse al fine di confermare o confutare le discrepanze rispetto al Modello Standard individuate in analoghe misure eseguite su decadimenti adronici. Inoltre, questa è la prima misura focalizzata su decadimenti barionici. Il rapporto è misurato fittando l'output della distribuzione di una rete neurale applicata ai dati, basata sulla missing mass square, l'energia del leptone nel centro di massa della $\Lambda_b^0$ e sull'output di un discriminante di Fisher costruito usando le informazioni del vertice di decadimento della $\Lambda_b^0$ . Il fit è stato eseguito simultanemente in intervalli di impulso trasferito e della variabile di isolamento. Quest ultima permette di selezionare un campione arricchito di decadimenti doppio charmed della $\Lambda_b^0$ . $R(\Lambda_c(2625))$ è risultato essere consistente con le aspettazione del Standard Model e ($R_{exp}(\Lambda_c(2625))=0.151\pm0.014$) ed uguale a \begin{displaymath} R(\Lambda_c(2625)) = 0.238 \pm 0.108(stat) \pm 0.058(syst) \end{displaymath} Tuttavia, al momento questa misura è dominata dall'errore statistico. Il run II di LHC produrrà almeno 5 fb$^{-1}$ di luminosità integrata e ciò permetterà di ottenere un errore statistico competitivo con il sistematico, assumento di eseguire la misura nella stessa configurazione. Inoltre, usandoil risultato del fit è stato determinato il rapporto di decadimento differenziale $(1/\Gamma) d\Gamma/dq^2(\Lambda_b \rightarrow \Lambda_c^*\mu\bar\nu_\mu)$, considerando l'unfolding dello spettro per la risoluzione in $q^2$ e la selezione in efficienza. Infine, in questa tesi è presentato un nuovo modo di determinare l'impulso degli adroni contenenti quark b in un decadimento semileptonico di quest ultimo ad un collisore adronico. Infatti, in tale ambiente, a causa della presenza di uno o più neutrini, della sconosciuta energia di collisione tra i partoni interagenti e del caotico ambiente adronico, non è possibile ricostruire l'impulso dell'adrone nel laboratorio utilizzando le particelle in cui decade. Come conseguenza, la cinematica del decadimento può essere conosciuta soltanto con una doppia ambiguità. Per risolvere il problema, in questa tesi è presentato un nuovo metodo basato su un algoritmo di regressione multivariato, sviluppato per sfruttare le informazioni che possono essere estratte dalla direzione di volo dell'adorne stesso. La migliorata risoluzione potrebbe essere sfruttata per misurare la larghezza di decadimento differenziale $d\Gamma(H_b\to H\mu\bar\nu_\mu)/dq^2$ con alta precisione, in quanto comporterebbe minore migrazione tra intervalli in $q^2$