Mauro Piccini INFN Perugia
Perugia – 22 Maggio 2013
Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre
il Modello Standard
Perugia, 16 Maggio 2012 2 Mauro Piccini – INFN Perugia
Mixing di quark nello SM
' '
'
ub cb td
ud us
cd cs
ts tb
V V V V
d d
s s
b b
V
V V
V V
⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞
⎜ ⎟ ⎜ = ⎟⎜ ⎟
⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠
Per i quark gli stati di massa non
corrispondono agli autostati di sapore Matrice CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) :
• Elementi diagonali non nulli
à Violazione del sapore
(angolo di Cabibbo, GIM)
• Con 3 (o più) famiglie di quark:
à Violazione di CP nello SM
Imponendo l’unitarietà della matrice CKM:
Nf =2 Nfasi= 0 ⇒ No Violazione di CP
Nf =3 Nfasi= 1 ⇒ Violazione di CP possibile
C= operatore carica, inverte la carica dello stato P= operatore parità, inverte le coordinate spaziali T= operatore tempo, inverte la coordinata t
Violazione diretta di CP
L’origine della violazione di CP può essere imputata all’interazione debole
nell’ambito del Modello Standard oppure si può introdurre una nuova interazione ad hoc (teoria superdebole)
Uno dei sistemi ideali per studiare la violazione di CP è quello dei K neutri
Definendo gli autostati di sapore come K0=sd e K0=ds, gli autostati di CP sono:
Già nel 1964 evidenza sperimentale di violazione di CP, ridefinizione degli autostati di massa:
Decade in 2π per conservare CP (vita media corta)
Decade in 3π per conservare CP (vita media lunga)
Nell’ambito del Modello Standard è prevista l’esistenza della violazione diretta di CP,
la componente a vita media lunga K2 decade in 2π
_
_ _
Perugia, 16 Maggio 2012 4 Mauro Piccini – INFN Perugia
NA48
Ricerca di violazione diretta di CP nei decadimenti K±→ 3π
Misura delle lunghezze di scattering ππ
Violazione diretta di CP nei decadimenti dei K neutri
Re(ε’/ε) = (14.7 ± 2.2) x 10-4
Misura di parametri di Violazione di CP
Decadimenti rari del KS, prima osservazione e misura del BR di
KS à π0e+e- e KS à π0µ+µ-
NA48/1 NA48/2
NA48
Decadimenti rari di K
Le relazioni per l’unitarietà della matrice CKM possono essere espresse in termini di triangoli nel piano complesso; a questo scopo conviene usare la parametrizazione di Wolfenstein:
Vus ~ λ Vcb ~ λ2 Α Vub ~ λ3 Α(ρ- iη) Vtd ~ λ3 Α(1-ρ- iη)
Ci sono sei relazioni da soddisfare per l’unitarietà, e quindi sei triangoli, in particolare:
VudV*ub + VcdV*cb + VtdV*tb = 0
CP
V ud
* ubV
VcdV*cb
KL →π0µ+µ–
λt = Vtd V*ts
Im λt = Α2 λ5 η Re λt = Α2 λ5 ρ
Golden modes
Il decadimento K + →π + ν ν
BR(K+→π+ν ν) ≈ (1.6×10-5)|Vcb|4[ση2+(ρc-‐‑ρ)2] → (8.5 ± 0.7)×10-11
Perugia, 16 Maggio 2012 6 Mauro Piccini – INFN Perugia
_
Nel calcolo teorico del BR, le incertezze dovute all’elemento di matrice adronico vengono inglobate in un termine già ben misurato - BR(K+→π0e+ν) - la restante parte dell’errore teorico deriva dai
parametri della matrice CKM:
Nell’ambito dello SM il processo è descritto con diagrammi a un loop definiti diagrammi a pinguino:
Decadimento sensibile a nuova fisica oltre lo SM, si possono testare
indirettamente scale fino a Λ~100 TeV (complementare rispetto a LHC);
molte le teorie in cui è previsto un BR maggiore:
Ø
Minimal Flavour Violation (MFV)Ø
Minimal Supersymmetric extension of SM (MSSM)Ø
Light Higgs Theory (LHT) _Stato dell ’ arte
Due esperimenti a BNL (Brookhaven National Laboratory-USA) dal 1997 al 2004, 7 candidati identificati in totale (di cui 4 compatibili con il fondo):
• K+ fermati su un bersaglio circondato dal rivelatore
• Accettanza molto bassa, ~ 0.1%
BR(K+ → π+ νν ) = (1.73+1.15-1.05)× 10-10
Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 191802
_
Compatibile
con lo SM
L ’ esperimento NA62
Perugia, 16 Maggio 2012 8 Mauro Piccini – INFN Perugia
Collaborazione NA62
Bern ITP, Birmingham, Bristol, CERN, Dubna, Ferrara, Fairfax, Firenze, Frascati, Glasgow, IHEP, INR, Liverpool, Louvain, Mainz, Merced, Napoli, Perugia, Pisa, Roma I, Roma II, San Luis Potosi, SLAC, Sofia, TRIUMF, Torino
Schema del rivelatore
Ø Decadimenti di Kaoni in volo da un fascio “non separato” a 75 GeV/c, prodotto da un fascio di protoni a 400 GeV/c estratto dall’SPS contro un bersaglio fisso di berillio (fascio a ~800 MHz, ~6% kaons)
Ø Le particelle non decadute viaggiano nel tubo a vuoto centrale
Ø Goal: misura di O(100) eventi in 2 anni di presa dati riducendo l’errore sistematico fino al livello di qualche %
Tecnica di misura
Perugia, 16 Maggio 2012 10 Mauro Piccini – INFN Perugia
Rispetto a un esperimento con decadimenti da K fermi:
" Vantaggi:
" Più facile rivelare fotoni da decadimenti di fondo
" Più facile avere fasci ad alta intensità
" Svantaggi:
" Rivelatore e regione di decadimento di grandi
dimensioni
" Necessità di misurare l’impulso di ogni K
" Fascio non separato di adroni
Segnale difficile da identificare e raro: BRSM=8x10-11
Potenzialmente alta contaminazione da altri decadimenti di K
Punti chiave:
1. Reiezione cinematica 2. Veto
3. Trigger ad alte prestazioni
4. Identificazione delle particelle (PID)
Reiezione cinematica
Reiezione cinematica /I
Perugia, 16 Maggio 2012 12 Mauro Piccini – INFN Perugia
La variabile fondamentale è la massa mancante, utilizzata per definire due regioni di segnale poco popolate dal fondo
Ø Estremamente importante avere buona risoluzione nella ricostruzione della massa mancante
Ø Necessario misurare sia l’impulso del kaone che quello del pione
Ø Ridurre il materiale (specialmente nella zona dello spettrometro magnetico) per minimizzare lo scattering multiplo
Pπ
Pν
πK
θ PK
Pν
2 2
2
2 1 1 K K K
K K
miss P P
P m P
P m P
m π π
π π
π ⎟⎟− θ
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −
⎟ +
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −
≅
92% del fondo cinematicamente separabile dal segnale
Reiezione cinematica /II
" Misura dell’impulso in un fascio ad alta
intensità → 3 stazioni inserite in un sistema di dipoli
" Rivelatore sottile→200 µm di spessore per
i pixel e 100 µm per il chip del readout chip (<0.5% X/X0 per stazione)
" Ottima risoluzione temporale per stringere
le finestre di coincidenza con gli altri
rivelatori→ risoluzione temporale minore di 200 ps raggiunta in test già effettuati
Il Gigatracker:
18000 pixel, rate di 150 kHz per ogni singolo pixel nella zona centrale
GTK Cooling
micro-channel cooling
Ceramic heater to simulate chip dissipation
Perugia, 16 Maggio 2012 14 Mauro Piccini – INFN Perugia
Reiezione cinematica /III
Spettrometro magnetico funzionante in vuoto per ridurre lo scattering multiplo 4 camere con 4 viste (piani di tubi)
(ridondanza)
Magnete Ptkick = 256 MeV/c
Tubi a straws lunghi 2.1 m, fatti di mylar spesso 9.6 mm (<0.1% X/X0 per vista) Foro centrale per far passare le particelle non decadute del fascio (raggio 6 cm) Prototipi già testati al CERN nel 2007 e nel 2010, ora in construzione!
σ(Pπ)/Pπ~ 0.3% ⊕0.007%*Pπ (GeV/c) σ(dX/dZ)/(dX/dZ)~ 45-15 µrad
STRAW: module 1
896 straw tubes
Perugia, 16 Maggio 2012 16 Mauro Piccini – INFN Perugia
Veto e PID
8% di decadimenti dei K (potenziale fondo) non è cinematicamente
separabile dal segnale (+ code di risoluzione)
La reiezione di questi decadimenti si basa esclusivamente sui sistemi di veto e sulla PID
Richieste per il sitema di veto:
" Grandi angoli (8.5-50 mrad): inefficenza <10-4
" Angoli intermedi (1-8.5 mrad): inefficienza <10-5
" Angoli piccoli (<1 mrad): inefficienza <10-3 Richieste per la PID:
" Identificazione dei K nel fascio iniziale prima del loro decadimento
" Separazione π-µ: probabità di errore id ID minore di 10-2
Veto
Perugia, 16 Maggio 2012 18 Mauro Piccini – INFN Perugia
Veto a largo angolo (LAV)
12 stazioni (ad anello) lungo la regione di decadimento (in vuoto)
Piena copertura angolare fra 8.5 e 50 mrad I vetri-pimbo del calorimetro
dell’esperimento OPAL sono stati riutilizzati
Piu di 2500 cristalli (canali) in totale
Blocchi controllati e testati a Frascati:
Ø inefficienza < 10-4 per positroni a 476 MeV
Ø risoluzione temporale di 700 ps
3 anelli già costruiti
LAV: stato istallazione
Ø 8 LAV lungo la regione di decadimento fiduciale
Perugia, 16 Maggio 2012 20 Mauro Piccini – INFN Perugia
§ Fra 1.5 e 8 mrad viene riutilizzatto il vecchio calorimetro elettromagnetico a kripton liquido di NA48
§ Più di 13000 celle quasi omogenee (poco materiale passivo)
§ 27 lunghezze di radiazione X0
§ Ottima risoluzione nella misura dell’energia
§ Ottima risoluzione temporale (200 ps)
§ Read-out completamente nuovo con ADC a 14 bits 40 MHz Le prestazioni come
rivelatore in veto sono state misurate con un presa dati dedicata ed un fascio di K a 75 GeV
Veto ad angoli intermedi
Perugia, 16 Maggio 2012 22 Mauro Piccini – INFN Perugia
Veto a piccoli angoli
Tre piccoli rivelatori fanno parte di questa categoria:
Ø CHANTI: Posizionato dopo l’ultima stazione del Gigatracker per rivelare particelle provenienti da interazioni del fascio nei collimatori e nel Gigatracker stesso
Ø IRC: Per rivelare i fotoni in prossimità del tubo a vuoto dove passano le particelle del fascio non decadute, posizionato prima dell’LKr
Ø SAC: Posizionato alla fine dell’aria sperimentale, per rivelare i fotoni che passano attraverso il foro centrale dell’LKr
Per tutti e tre i rivelatori la ricerca e lo sviluppo sono in fase avanzata, alcuni prototipi sono già stati prodotti
Inner Radius Calorimeter IRC
• Mechanical elements ready
• Lead plates for both sectors produced and tested
– Alone plate by plate
– Assembled in a module – all fiber holes are passable with rod with diameter 1.4mm
CHANTI
CHANTI first station completed second station bars test started
FEE: Re-use LAV ToT boards in a two level scheme
CHANTI boards: Set Vbias , FAST amplification, Read single ch current (nA), read temp probes. First prototype ready
Cosmic ray signal
Perugia, 16 Maggio 2012 24 Mauro Piccini – INFN Perugia
PID
(Identificazione di particelle)
Perugia, 16 Maggio 2012 26 Mauro Piccini – INFN Perugia
PID K/π/µ : Il RICH
Il RICH rivela i fotoni prodotti per effetto C. da particelle cariche che viaggiano in un mezzo a velocità maggiori della luce nel mezzo stesso.
L’angolo di emissione di tali fotoni rispetto alla direzione della particella può essere messo in relazione alla velocità della particella stessa.
Il RICH permette di misurare l’angolo Cherenkov dei fotoni emessi e quindi la velocità della particella tramite la ricostruzione dell’anello che si ottiene se si rivelano i fotoni nel piano focale di uno specchio sferico che li ha riflessi.
Se si misura indipendentemente l’impulso della particella (con uno spettrometro) si può risalire alla massa della particella e quindi
identificarla.
PID dei K del fascio
Scopo: Identificazione del Kaone nel fascio non separato per
associarlo temporalmente ai prodotti di decadimento rivelati a valle.
Questo permette di rilasciare le
condizioni sullo scattering multiplo nel gas residuo presente nella zona di decadimento ( è sufficiente
ottenere un vuoto a livello di 10-5 mbar).
Tecnica: Rivelatore Cherenkov differenziale (il radiatore e H2 a 3,5 Atm)
" Riutilizzabile un vecchio rivelatore costruito al CERN negli anni ’70
" Nuovo readout (fotomoltiplicatori e elettronica di lettura)
" Nuovo sistema di specchi deflettori per diminuire il rate sul singolo
canale in lettura
KTAG
Perugia, 16 Maggio 2012 28 Mauro Piccini – INFN Perugia
PID π/µ: Il RICH di NA62
Per ridurre il fondo del decadimento
K
+à µ
+ν
a livello del % rispetto al segnale e necessario un fattore di soppressione 10-12, fattoreraggiungibile se oltre alla cinematica e al MUV (già visti) si utilizza un RICH (Ring Imaging Cherenkov detector) .
La costruzione e il funzionamento del RICH di NA62 sono sotto la
responsabilità dei gruppi di Perugia e Firenze (G. Anzivino, P. Cenci, E.
Marinova, M. Pepe, R. Piandani, M. P., A. Sergi, M. Valdata)
Il RICH sarà determinante anche nella decisione del trigger di primo livello (hardware) per decidere se gli eventi saranno acquisiti (trigger di molteplicità).
Inoltre misurerà il tempo di transito dei prodotti di decadimento carichi da associare ai K carichi tracciati nel Gigatracker e identificati nel
CEDAR
Perugia, 16 Maggio 2012 30 Mauro Piccini – INFN Perugia
Mirror Mosaic 17 m focal length
Beam Pipe 2 x ~1000 PMT
Vessel:
~18 m long,
~3.7 m diameter
Beam
Schema
Filled with Neon
Mezzo radiatore: Neon a pressione atmosferica Ø (n-1) = 62.8 x10-6 a λ=300 nm (bassa dispersione) Ø basso peso atomico à X0 piccola à riduzione dello
scattering multiplo
Ø p2soglia = m2/(n2-1) = (12 GeV/c)2 per π
Specchi: Forma esagonale
Ø inscritti in cerchio di diametro 70 cm
Ø 17 m di lunghezza focale, 18 specchi + 2 semi- esagonali al centro
Fotomoltiplicatori: Hamamatsu R7400 U03 Collettori di luce: Coni di Winston
Ø 18 mm di diamentro
Caratteristiche del RICH
Perugia, 16 Maggio 2012 32 Mauro Piccini – INFN Perugia
Prototipi del RICH
2 prototipi testati su fascio nel 2007 (RICH-100) e nel 2009 (RICH-400);
utilizzato sempre lo stesso cilindro lungo ~18 m e di diametro ~60 cm riempito con Ne a 1 atm.
Provati 2 specchi con f=17 m, d=50 cm, e spessore 2.5 cm
Prototipo RICH-100:
Ø 96 PM Hamamatsu R7400 U03/U06
Ø Misura risoluzione temporale e scelta PM Prototipo RICH-400:
Ø 414 PMT Hamamatsu R7400 U03 Ø Misura della separazione π-µ
Risultati del test 2009
Illuminazione PM @15 GeV
Il “µ” @ 15 (35) GeV/c in realtà è un π @ 20 (46.2) GeV/c
π “µ”
e
@15 GeV
@35 GeV Raggio anello
Fattore di soppressione integrato per µ: ~0.7%
Risoluzione temporale
RICH: Photomultipliers
• >2000 PM already available
• Custom made HV divider to be produced in the coming months
A HV distribution board: for each HV channel (SHV connectors, at the bottom of the figure) four PM are supplied (small black connectors at the top); each board supplies 32 PMs.
A PM (Hamamatsu R7400-U03) with a prototype HV-divider without the insulating case.
One of the two aluminum disk separating the Neon gas from the PMs
Perugia, 16 Maggio 2012 34 Mauro Piccini – INFN Perugia
RICH: mirrors
• All mirrors at CERN (18 hex + 2 semi-hex)
• Coating to be done at CERN
• Optical quality tests already done
One of the hexagonal mirrors before aluminization
One of the semi-hexagonal mirrors before aluminization
Perugia, 16 Maggio 2012 36 Mauro Piccini – INFN Perugia
MUV 1-2 LKr
MUV 3
Identificazione di µ
Dopo il calorimetro elettromagnetico ci sono dei blocchi di ferro ai quali sopravvivono solo i µ
MUV1-2: Identificano il muone e contribuiscono alla reizione di decadimenti con µ nello stato finale (assieme al RICH)
MUV3: Identificazione veloce dei µ a scopi di trigger, moduli di scintillatore con superficie 22x22 cm2 letti da 2 PM
Risoluzione temporale migliore di 1 ns già raggiunta in test su fascio
Trigger e acquisizione dati
• L0: Trigger
hardware, scelta basata su segnali veloci prodotti dai sistemi di lettura
• L1: Trigger
software basato sulle informazioni
provenienti da singoli rivelatori (più dettagli,
migliori risoluzioni)
• L2: Trigger
Software basato sui dati di tutti i
rivelatori
(informazioni correlate)
PC PC PC PC
L0 trigger
Trigger primitives
Data CDR O(KHz)
EB
GigaEth SWITCH
PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC
L2 L1
RICH MUV CEDAR STRAWS LKR LAV
L0TP 1 MHz
L0
1 MHz 1 MHz
10 MHz
PC PC PC PC PC PC
Perugia, 16 Maggio 2012 38 Mauro Piccini – INFN Perugia
NA62: proiezioni
Ø 4.8·1012 decadimenti per anno (ragionevole, circa 4 mesi di presa dati)
Ø flusso x50 rispetto a NA48 (con la stessa intensità di protoni dall’SPS)
Ø reiezione π0 a livello di 2·108
Ø Accettanza per il segnale O(10%)
Ø Assunzione: 100% efficienza di trigger e acquisizione
Work in progress!
NA62 Installation
40
NA62 Experimental Area in October 2012 (technical run)
CEDAR/KTAG
NA62 Experimental Area in October 2012 KTAG
CEDAR
CHANTI
42
One of the 6 CHANTI stations
STRAW
RICH
44 44
MUV2 E MUV3
MUV3 MUV2 45
NA62 TDAQ
46
TEL62 and TDCB
TEL62 crate ready for data taking
Analysis
Perugia, 16 Maggio 2012 48 Mauro Piccini – INFN Perugia
INFN
(Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)E’ il principale ente che in Italia finanza la ricerca di base in fisica nucleare e delle particelle
elementari
~ 1800 Dipendenti
(600 Ricercatori, 250 Tecnologi)
~ 2000 Associati
~ 1300 Contratti per giovani ricercatori e tecnici
Perugia:
(sezione giovane nata nel 1989, cresciuta bene)
24 dipendenti (10 Ricercatori, 2 Tecnologi, 12 Tecnici/Amministrativi)
• CMS
• NA62
• Babar/Belle
• Virgo/Advanced Virgo
• AMS/CTA
• Fermi