Misura del decadimento K L → π 0 νν

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(1)

KOPIO

Misura del decadimento K L → π 0 νν

Giusy Anzivino

Università di Perugia e INFN

(2)

Sommario

Mesoni K e violazione di CP

Matrice CKM e triangolo di unitarietà Il decadimento K L π 0 νν

L’esperimento KOPIO a BNL Tecnica di misura

Caratteristiche del fascio Il rivelatore

Calorimetria

Sistema di veto

Conclusioni

(3)

Mesoni K e violazione di CP

I mesoni K

Ruolo importante per la definizione della struttura di sapore dei quark K

L

→ µ

+

µ

-

forte motivazione per il “GIM mechanism”

Violazione indiretta di CP nel mixing K 0 – K 0 (parametro ε ) Violazione diretta di CP in K 0 2π (Re ( ε ’ / ε ))

Nell’era di misure di precisione di CP nel settore dei mesoni B Studi matrice CKM nel SM Decadimenti rari dei K

Fisica oltre lo SM (BSM)

(4)

Matrice CKM - unitarietà

η

α

γ β

V

td

V*

tb

V

ud

V*

ub

A=(ρ,η)

ρ +iη 1 -ρ-iη

ρ = ρ (1-λ

2

/2) η = η (1-λ

2

/2) Parametrizzazione di Wolfenstein

espansione in termini di λ = |V

us

| 4 parametri: λ, A=V

cb

2

, ρ, iη 3 valori reali, 1 fase

V

ud

V*

ub

+ V

cd

V*

cb

+ V

td

V*

tb

= 0

(5)

Contributi da K e B

α

γ β

B -K - D

0

V

ub

V K

L

→ π

0

νν

K + → π + νν

η

B

d

→ ππ

B

d

J/ψ K

S

ρ

(6)

“Golden modes”

Quattro “super-clean” inputs dalla fisica dei

K e dei B contribuiscono a verificare la descrizione della violazione di CP e il mixing dei quarks

d d s s d s

B B

B B x x

=

ν ν π

0

L 0

K

E787/E949 (BNL) CKM (FNAL) KOPIO (BNL ) E391A (KEK)

BABAR, BELLE CDF, LHCB

ν ν π

+ K +

d K s

B → Ψ

s s

s B B

x −

= CDF, LHCB

|V* ts V td |

Im (V* ts V td ) ∝ η sin 2β

|V ts / V td |

(7)

Decadimenti K → πνν nello SM

I decadimenti K → πνν presentano caratteristiche peculiari

Processi FCNC che avvengono attraverso diagrammi a loop Governati da interazioni a corta distanza

Incertezze teoriche molto piccole

elementi di matrice adronici estratti da K + → π

0

e + ν, K

0

→ π + e - ν

dominato da quark top violazione diretta di CP

K L → π 0 νν

contributi da top e charm

K + → π + νν

(8)

K L → π 0 νν nel Modello Standard

(

0 0

) (

2 0

) ( ) ( )

0 2 24

Im ( )

* 22 2

sin 2

3 

 

  

 

 Θ

= →

+ + ±

W t td

ts W

L us

L

m

X m V K V

K V

e K

k B K

B π

α τ

τ ν ν π

ν π

( 0 π 0 ν ν ) 1 . 8 10 10 4 2 2 2  η 2

 

× 

=

W L t

m X m

A K

B

Misura del BR (es. 15%)

Misura “pulita” dell’altezza η del triangolo di unitarietà (7.5%) Branching ratio previsto dallo SM (3 ± 1) x 10 -11

Limite attuale < 5.9 x 10 -7 (KTeV) (da π 0 → e + e - γ )

(9)

Il decadimento K L π 0 νν

Sfida sperimentale posta da K L π 0 νν Segnatura sperimentale molto debole

Solo due fotoni rivelati

A priori non è noto il vertice di decadimento né l’energia del K

Fondi da controllare:

Decadimenti del K L

34% dei decadimenti del K

L

ha almeno un π

0

, per esempio K

L

→ π

0

π

0

(BR = 9.3 x 10

-4

), K

L

→ π

+

π

π

0

(BR = 1.25 x 10

-1

) cattiva identificazione, es. K

L

→ π

e

+

ν (BR = 3.9 x 10

-1

)

Fondo di neutroni del fascio

Decadimenti di iperoni, e.g. Λ →π 0 n

(10)

Caratteristiche dell’evento

2 fotoni e niente altro

sistema di veto “ermetico” con inefficienza molto bassa (~10

-4

)

I due fotoni vengono dal decadimento del π 0

conoscenza del vertice

Caratteristiche cinematiche

misura dell’impulso del K

L

con TOF

energia del π

0

nel centro di massa del K

L

Minimizzare il materiale attraversato dai neutroni del fascio

vuoto di alta qualità

fascio con piccolo alone

(11)

Strategia sperimentale

Misura di tutte le possibili quantità degli stati iniziale e finale

Tempo di volo del K 0 L con fascio “µ-bunched” di bassa energia

impulso del K

L

e trasformazione al sistema del c.m. del K

L

reiezione cinematica di K

L

→ π

0

π

0

0

monocromatico nel c.m.)

Misura della direzione dei fotoni con preradiatore tracciante (prima coppia e + e - )

determinazione della direzione dei fotoni misura diretta di m

γγ

per condizione m

γγ

= m

π°

determinazione del vertice di decadimento

Vincoli cinematici

consentono misure efficienza di veto

(12)

Concetto dell’esperimento

fascio primario impulsato

π

0

da K

L

π

0

νν è ricostruito

impulso del K

L

con TOF

(13)

Cinematica

Quantità misurate energia del K

energia, direzione e tempo dei fotoni Vincoli cinematici

massa del π

0

divergenza verticale del fascio

tempo relativo dei fotoni

(14)

Fondo K L → π 0 π 0

Ricostruzione cinematica del π

0

nel c.m. del K

L

è complementare rispetto alle

condizioni di veto:

γ che soddisfano m

γγ

= m

π0

possono provenire da

stesso π

0

(EVEN) E*

π

= m

K

/2 π

0

diversi (ODD) E*

π

alta

rigettare eventi con E*π grande eventi con bassa efficienza di veto

Permette di individuare regioni in cui K

L

→ π

0

π

0

è trascurabile

pura cinematica + effetti strumentali

ODD

(15)

Kopio outcomes

(16)

L’esperimento KOPIO a BNL

(17)

L’apparato sperimentale

(18)

Caratteristiche del fascio

Fascio µ-bunched prodotto dall’AGS a BNL Protoni primari da 25.5 GeV, 7 x 10

13

ppp

Impulsi da 200 ps, spaziati di 40 ns, rate 25 MHz Risoluzione in impulso con TOF → qualche % Fascio di K

L

Estratto a 45°

Basso rate di iperoni

Spettro di impulso “soft”, range usato 0.4-1.3 GeV/c, picco a ~ 0.65 GeV/c

5 mrad in verticale × 100 mrad in orizzontale Limitare l’alone

Ulteriore vincolo sul vertice di decadimento

Si accettano eventi con 1 solo decadimento/µ-bunch

No dead time indotto dagli eventi dello stesso µ−bunch

(19)

Flussi e alone del fascio

Flusso di K L

all’uscita dell’ultimo collimatore ~ 10

8

decadimenti tra ultimo collimatore e prerad: 2.6 × 10

7

decadimenti/µbunch 0.56

Flusso di neutroni

misurato su fascio > 10MeV → 0.6 × 10

11

; > 100MeV → 0.4 × 10

11

Flusso di fotoni

vengono ridotti con spoiler in campo magnetico dopo conversione

> 10 MeV: 1.4 × 10

10

→ ~250/ µbunch

Alone di neutroni

accurata scelta geometria collimatore

< 10

-4

, ma richieste più stringenti per limitare la produzione di π

0

che può generare fondo

miglioramenti con schermi di polietilene

7 × 10

7 × 10 13 13 ppp ppp

(20)

Alone di neutroni

Configurazione del proposal

Nuovo collimatore

(21)

Test del µ-bunch

(22)

Misura dei fotoni

Direzione

Preradiatore di bassa densità (64 piani , 2 X 0 totali)

camera drift a piccole celle con lettura di anodo e cathode strips

scintillatore per la misura dell’energia

Energia

Calorimetro Shashlik + preradiatore

Shashlik da solo, su test beam, ha dato 3.4%/√E

Combinando le due misure, studi Monte-Carlo indicano la possibilità di raggiungere una risoluzione del 2.7%/√E

Tempo

σ (t) ∼ 0.2 ns

effetti del leakage degli sciami nel tubo del fascio

(23)

Preradiatore

64 strati di 0.034 X

0

(5 × 5 m

2

) Celle drift 5 × 5 mm

2

(lettura filo e strip catodiche)

Scintillatore per misura E in

Prestazioni

Risoluzione angolare 25 mrad @ 250 MeV (∝ E

–0.7

)

Risoluzione in energia insieme a

Shashlik 2.7%/√E

(24)

Calorimetro shashlyk/1

(25)

Calorimetro shashlyk/2

300 strati Pb/Scintillatore (0.275 mm – 1.5 mm)

granularità 11x11 cm

2

16 lunghezze di radiazione lettura fibre WLS

Risoluzione in energia

con PM 3.4 %/√E (GeV) (test) con APD 3.0 %/√E (GeV) (MC) Risoluzione temporale

50 ps/ √E (GeV) (MC)

100 ps per fotoni da 250 MeV

(26)

Veto per fotoni - barrel

3.5 m

3.5 m

4.2 m

Fondo dominante da K

π2

con due γ persi

☺ soppresso da ricostruzione cinematica, ma alta ε di rivelazione di γ richiesta (99.98%) Sistema di veto

Inefficienza < 2 x 10

-4

nel range 10-500 MeV Fluttuazioni di sampling (no visible energy) Punch-through (fotoni che non convertono) Interazioni fotonucleari (non e.m. Shower) Sandwich piombo/scintillatore

0.5 mm Pb, 7 mm Sci → 3.2 X

0

1 mm Pb, 7 mm Sci → 14.8 X

0

Lettura con fibre WLS in scanalature

estruse (4 m, spaziatura 6-10 mm) + PM

(27)

Efficienza di veto fotoni

Prestazioni attese

250 3-4 60 5.0

~ 10

-8

1.5 · 10

-4

GEANT a Eγ=100 MeV

σ

angolare

, mrad

Segmentazione e timing

σ

posizione

, cm

Test prototipo

σ

t

/ √E(GeV), ps

totale

σ

E

/ √E(GeV), %

Risultato E787 + simulazione

Inefficienza per π

0

Risultato E787 + simulazione

Inefficienza per γ

Risultati da test di E787 e KAMI, con soglia a 10 MeV

KOPIO sampling migliore

possibile soglia minore

(28)

Veto per particelle cariche/1

Identificare fondi in cui un apparente π

0

→ γγ è accompagnato da emissione di particelle cariche, es:

K

L

→ π

+

π

-

π

0

(K

π3

) K

L

→ e

+

π

-

νγ (K

e3γ

)

il positrone emette un γ per bremsstrahlung o annichilazione in volo K

L

→ e

+

π

-

ν (K

e3

)

un γ proveniente dal positrone e un π

0

creato da π

-

p → π

0

n segnatura

due particelle cariche di segno opposto

distribuzioni cinematiche di γγ diverse da segnale segnali anche in altri rivelatori

Efficienza > 99.99% richiesta

(29)

Veto per particelle cariche/2

3 strati di scintillatore spessore minimo

fibre WLS “embedded”

ε > 99.9%

interni alla regione di

decadimento (10

-3

Torr)

separati dalla regione

ad alto vuoto (10

-7

Torr)

lettura con HPD o PM

(30)

Sistema di veto - altro

Veto per fotoni upstream

Struttura simile al veto barrel Sistema di veto downstream

Per fotoni e particelle cariche Suddiviso in tre gruppi

Beam catcher Scopo

rivelare fotoni sfuggiti attraverso il tubo a vuoto

ma essere insensibile a particelle

Contatori Čerenkov

512 moduli

2 mm Pb + 50 mm Aerogel

(31)

Beam catcher

efficienza

98.5% fotoni da 300 MeV

0.2% neutroni da 800 MeV

(32)

Trigger

Livello 0

Tempo morto nullo Latenza 2 µs

Rate di output 25 MHz Efficienza > 95%

Tre ingredienti principali

Somma delle altezze di impulso dal preradiatore e dal calorimetro Segnali dai contatori di veto

Conteggio dei fotoni nel preradiatore e calorimetro

Richieste:

Solo 2 clusters in prerad + calo con E > 50 MeV e ∆t = 5 ns

No hit dai contatori di veto in ± 5 ns dal γ candidato

per fotoni con E > 5 MeV

Migliorare la risoluzione temporale on-line

Usare veto downstream

Maggiore tempo morto

Triggers di livello più

(33)

Risultati attesi

Risultati dal “draft TDR”, per 500 gg di presa dati con 7 × 10

13

ppp

SES ~ 10

-12

Successive analisi indicano un miglioramento

~ 25% legato a tecnicalità del fit geometrico

(34)

Conclusioni

Misura del BR del decadimento K L → π 0 νν

“golden mode” per la comprensione della matrice CKM

La misura pone una sfida sperimentale ardua

Segnatura debole Fondi da controllare

Prestazioni previste per l’esperimento e primi risultati di test sono soddisfacenti

41 eventi attesi → determinazione di η con

figura

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Riferimenti

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