L esperimento HARP. M. Apollonio. 4/05/2005 Consiglio di Sezione - Trieste 1

4/05/2005 Consiglio di Sezione - Trieste 1

L L ’ ’ esperimento HARP esperimento HARP

M. Apollonio

ƒ Stato dell’ Esperimento

ƒ Attività

ƒ (enfasi sui gruppi italiani e Trieste)

ƒ ‘Spin-off’: la TPG

ƒ Conclusioni

4/05/2005 Consiglio di Sezione - Trieste 3

124 fisici 124 fisici 24 24

istituzioni istituzioni

La partecipazione Italiana : 34 fisici e 7 sezioni INFN

Europa + Russia + USA +

Giappone

+ KEK (K2K) & Los Alamos (MBoone )

Adro-produzione: π, p Æ bersaglio fisso

(T9-CERN PS, East Hall)

ƒ Motivazioni Fisiche

Pion/Kaon yield per il disegno del proton driver ed il target per la Neutrino

Factory e per il Super Beam basato su SPL

Input per il calcolo preciso del flusso di neutrini atmosferici (dagli yield di produzione di π,K)

Input per i generatori Monte Carlo (GEANT4 – LHC e applicazioni spaziali)

Input per la predizione dei flussi di neutrini per gli

esperimenti MiniBooNE e K2K

4/05/2005 Consiglio di Sezione - Trieste 5

Layout del Detector

Cherenkov TPC

Large Angle

Small Angle

K2K: Al MiniBoone: Be LSND:

H₂O 5%

50%

100%

Replica

5%

50%

100%

Replica

10%

100%

+1.5 +12.9 +8.9 GeV/c

Sommario della Presa Dati

CERN-PS T9 beam line (2001-2002): 420 Mevts, ~ 300 settings (50 TB)

10 MB software C++ o.o. developed

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Stato dell’ Analisi

ƒ Large Angle (TPC & RPC) (low energy 3-5 GeV)

ƒ Forward Detectors (higher energy 8-15 GeV)

ƒ I risultati preliminari delle analisi di adroproduzione per i bersagli di K2K e Mboone sono stati presentati alle conferenze del periodo primavera-estate 2004 (Moriond, Neutrino04 etc.)

ƒ Gli stessi risultati e lo status dell’ analisi a grande angolo sono stati oggetto di un SPSC Report presentato a luglio 2004 che é stato molto ben accolto dal comitato

ƒ Risultati preliminari a 3 GeV (SPL) con un bersaglio di Ta sono

stati presentati al recente meeting di Villars (Sett. 2004)

Large Angle Analysis (Ba-LNL-Fe-Ts)

ƒ TPC

ƒ Ricostruzione completa delle tracce

ƒ Campagna di calibrazioni: TPC in area T9 (2003)

ƒ Con sorgenti

ƒ Con raggi cosmici

ƒ Studio sistematico delle correzioni

ƒ Calibrazioni fondamentali rivisitate (time, charge, position)

ƒ Correzione del cross-talk

ƒ Correzione della distorsione di campo elettrico

ƒ Elastic Scattering: 3 GeV /c usando il bersaglio di H

ƒ Prima analisi di fisica: fascio da 3 GeV/c – bersaglio di Ta

ƒ RPC :

ƒ First version of the calibration & Reconstruction available

4/05/2005 Consiglio di Sezione - Trieste 9

Cosmic data taking during 2003:

Trigger (scintillator of 2 cm thickness)

inside inner field cage:

-345 mm < z < 255 mm

TPC re-installed in T9 Area

•Mapping of gain

•Mapping of dead/hot pads

•First dE/dx evaluation

•Evaluation of the performance of correction for cross- talk effect and distortions

High statistic cosmic ray calibration and calibration with

Fe and

Kr sources

campagna

campagna di di calibrazione calibrazione TPC 2003 TPC 2003 - - 2004 2004

Fe Source position

Le distorsioni sono legate al

disallineamento in voltaggio fra la inner e l’ outer field cage

Correzione:

1. Mappatura di B

2. Mappatura di E (Maxwell) Determinazione del

disallineamento in V mediante run di calib. 2003

ƒ Voltaggio usato durante la presa dati

ƒ + 500 V

ƒ - 500 V

3. Valutazione delle distorsioni

4. Algoritmo di correzione

4/05/2005 Consiglio di Sezione - Trieste 11

Precisione su momento e dE/dX mediante run di cosmici

dE/dx over full

Compare single arm with full track

∆ p _t = abs( ρ _{1 +} ρ _{2 )}

p _t √2( ρ _tot )

ρ ∝ charge 1/ p _t p

µ and π

β ) (

A 2

× 1

track

o Target: liquid H

(cryogenic target) o Target length: 18 cm

o Beam of p and π of 3 GeV/c Sezione d’ urto elastica

ƒ Normalizzazione dei dati (s.d.u.

elastica ben conosciuta)

ƒ Valutare accettanza + efficienza della camera

ƒ Controllare la scala del momento

ƒ Strumento di calibrazione nella procedura di merging tra analisi forward e large angle

missing mass per p p→p p and πp → π p Selezione di p and π nel fascio con B-ToF BLU: selezione semplice

1 sola traccia positiva nella TPC proveniente dal target

ROSSO: taglio aggiuntivo su dE/dx nella TPC (selezione di protone

Scattering Elastico

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Analisi

Analisi preliminare preliminare a a grande grande angolo angolo - - Neutrino Factory

Neutrino Factory - - (Ta a 3 (Ta a 3 GeV/c GeV/c ) )

La TPC copre lo spazio delle fasi rilevante per questa misura PID da dE/dx e TOF (RPC)

dE / dx in TPC

Buona separazione fra pioni e protoni PID RPC

PID TPC Very preliminary analysis of combined PID with dE/dx and

TOF:

e-π separation shows that e-contamination

is negligible for p>250 MeV/c (relevant range for neutrino factory),

is as large as ~60% between 50 and 100 MeV/c and

~40%/30% between 100 and 150 MeV/c for

negatives/positives.

dipole magnet

NDC1 NDC2

B

x z

NDC5

beam

target

Top view

NDC3 NDC4

Plane segment

pr eli m in ar y

Forward Analysis:tracking

Overall tracking efficiency

pr eli m in ar y Momentum resolution

pr eli m in ar y

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PId (FW spectr) : Pd,Rm3,Mi,Ts

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

N_phe

entries

e ⁺ π ⁺

p

number of photoelectrons

π

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

π/p

P ( P ( GeV) GeV )

π/e π/k

TOF _CERENKOV

3 GeV/c beam particles

TOF

CERENKOV TOF

CERENKOV CERENKOV

CALORIMETER

π ⁺

p

data

0 0.2 0.4 0.6

0.8 1

1.2 1.4

0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91 0

50 100 150 200 250

E/p E¹/E

entries

h ⁺

e ⁺

CALORIMETER

0 50 100 150 200 250 300 350

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

m² (GeV²)

entries

TOF

CERENKOV CAL

The Harp Cherenkov

in numbers ^{ƒ 19 x 2} PMTs (9” diameter from CHOOZ experiment)

ƒ Winston cones used to

increase the light collection efficiency (∆x=26 cm)

ƒ Cusp-shaped cylindrical

double mirror to redirect light onto PMT rows

TOF [0,4.5 GeV/c]

CKOV [>3 GeV/c]:

ƒ 35 m

of C

F

ƒ n=1.0014 (pr.~1 atm)

ƒ thresholds for P.Id.:

ƒ e~ 10 MeV/c

ƒ π= 2.6 GeV/c

ƒ K= 9.3 GeV/c =m

/m

ƒ p=17.6 GeV/c =m

/m

ƒ honeycomb entrance/exit

windows (minimize material)

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26 cm

100 ohm resistor

LED

ƒ Calibration of the PMTs

ƒDetermine the conversion

ADC/n.of.phel.

ƒLED monitoring system

(interspill flash ~ few

phel)

1

phel

2

phel pedestal

ƒ fit to the single ph.el +

pedestal (poissonian with a gaussian smearing)

ƒ ped.+sigma

ƒ 1

phel. + sigma

ƒ normalization factor

ƒ µ (average n. of phel.)

ƒ linearity

ƒ used in the clustering algorithm

ƒ baricenter of light deposition

ƒ injected in the Monte Carlo

4/05/2005 Consiglio di Sezione - Trieste 19

π -threshold

Beam Pions

(3,5,8,12 and 15 GeV/c)

• fit to the theoretical light yield curve

• P1= # of ph.el. when PÆinf.

• P2= pion mass

e and π populations

# ph.el. VS calorimeter Energy (P

= 5 GeV/c)

# ph.el.

Riassunto

• Nel 2004 é stata completata la

caratterizzazione e la calibrazione di tutti i rivelatori della “Regione Forward” (drift

chambers, cherenkov, time-of-flight, electron- identifier e muon identifier) .

• Le performances dello spettrometro in avanti sono ora ben note e in aggiunta é stato

sviluppato un nuovo algoritmo di ricostruzione , con una efficienza superiore al 90% (ST)

• La precisione sperimentale richiesta sia per l’impulso ricostruito sia per l’identificazione delle particelle é stata ottenuta anche grazie a fondamentali contributi dei gruppi italiani (in particolare nel settore dell’PId)

• Una misura preliminare della sezione d d’urto

adronica con bersagli di K2K e Miniboone é stata ottenuta nel marzo 2004 ed é stata presentata a Moriond

• Un’analisi piu’ avanzata (anche con i dati di

Miniboone) é stata

presentata a NEUTRINO-04,

ICHEP, NOW2004 etc.etc.

4/05/2005 Consiglio di Sezione - Trieste 21

pions producing neutrinos in the oscillation peak

GeV E 0 . 75 5

.

0 <

<

mrad GeV

P

250 1

<

>

π π

K2K θ

interest

K2K far/near ratio

Beam MC Beam MC

confirmed by Pion Monitor To be measured

by HARP

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0 E

(GeV)

oscillation peak

Una delle sistematiche piu’ importanti di K2K viene dall’incertezza

del rapporto far/near

pre limi na ry

7M triggers Æ 3M protons abs norm ~ 1%

overall eff (track reco+Pid)~ 5%

4/05/2005 Consiglio di Sezione - Trieste 23

Una ricaduta: la TPG

ƒ Concepita inizialmente come un possibile tracker per l’esperimento MICE (muon cooling)

ƒ Vita autonoma (R&D GV) Î TPG-head module

ƒ 3-GEM amplification stage

ƒ 30 cm

ƒ read-out: ~7x10

hexagonal pads grouped in 3 sets of strips dephased by 120

(Hexaboard)

ƒ FADC electronics (100 ns sampling time, from HARP TPC)

ƒ Test bed: cylindrical field cage (80 cm , 150 cm length)

ƒ Solenoidal B field ~ 0.7 T (max)

GEM-1 guard ring

TPG-head

4/05/2005 Consiglio di Sezione - Trieste 25

Full volume: concept

HARP solenoid: [0,0.7] T field cage

cathode plane: 25 kV gas:Ar(90%)+CO

(10%)

beam

source drift length: 150 cm

diameter: 80 cm E B

TPG head

1. HV distribution box 2. TPG head

3. Electronics 4. Cathode plane 5.

Sr source 6. HARP solenoid

2

1 3

4 5

6

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90 Sr source B~0.07 T

V _drift ~ 1cm/ µ s

R~27 mm

p _T ~0.57 MeV/c

55

Fe

Conclusioni… Il draft del paper contenente i risultati di K2K é in

preparazione, vicino alla pubblicazione

La prima Analisi a largo angolo completa sarà

presentata e pubblicata per NUFACT05 (06/05) (draft in preparazione)

I primi risultati di interesse per i raggi cosmici

(bersaglio di Carbonio) saranno pronti a settembre 2005

(pubblicazione fine 2005)

ƒ Harp é un esperimento relativamente anomalo

ƒ Infatti é stato progettato e costruito in un tempo molto breve per il livello di complessità dell’

apparato (15 mesi)

ƒ La presa dati é stata anche relativamente breve ma la messe di dati raccolti é imponente

ƒ L’importanza di questi dati é ancora più evidente ora che il panorama della fisica di oscillazioni di neutrino si muove dalla “scoperta” degli effetti alla misura dei parametri di oscillazione

ƒ Ma per dare questo contributo HARP deve

produrre delle misure di precisione (alcuni %) che richiedono tempo e molto lavoro

ƒ La Collaborazione ha fatto molti sforzi in questa direzione ed ora i primi risultati stanno arrivando

ƒ … il 2005 sarà fondamentale in questo senso

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Sviluppo Temporale

Ago. 2000 Ago. 2001

Mag. 2003

Aug. 2003