Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre

(1)

Mauro Piccini INFN Perugia

Perugia – 22 Maggio 2013

Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre

il Modello Standard

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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

⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞

⎜ ⎟ ⎜ = ⎟⎜ ⎟

⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

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:

N_f=2 N_fasi= 0 ⇒ No Violazione di CP

N_f=3 N_fasi= 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

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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

_

_ _

(4)

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 K_S, prima osservazione e misura del BR di

K_S à π⁰e⁺e^- e K_S à π⁰µ⁺µ^-

NA48/1 NA48/2

NA48

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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:

V_us~ λ V_cb ~ λ²Α V_ub~ λ³Α(ρ- iη) V_td~ λ³Α(1-ρ- iη)

Ci sono sei relazioni da soddisfare per l’unitarietà, e quindi sei triangoli, in particolare:

V_udV*_ub^{+ V}_cd^V*_cb^{+ V}_td^V*_tb^{= 0}

CP

V ^ud

* ubV

V_cdV^*_cb

K_L →π⁰µ⁺µ^–

λ_t = V_td V^*_ts

Im λ_t = Α² λ⁵ η Re λ_t = Α² λ⁵ ρ

Golden modes

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Il decadimento K ⁺ →π ⁺ ν ν

BR(K⁺→π⁺ν ν) ≈ (1.6×10^-5)|V_cb|⁴[ση²+(ρ_c-‐‑ρ)²] → (8.5 ± 0.7)×10^-11

_

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) _

(7)

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

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L ’ esperimento NA62

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

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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 %

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Tecnica di misura

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: BR_SM=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)

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Reiezione cinematica

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Reiezione cinematica /I

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

m _π _π

π π

π ⎟⎟− θ

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ −

⎟ +

⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ −

≅

92% del fondo cinematicamente separabile dal segnale

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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

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GTK Cooling

micro-channel cooling

Ceramic heater to simulate chip dissipation

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Reiezione cinematica /III

Spettrometro magnetico funzionante in vuoto per ridurre lo scattering multiplo 4 camere con 4 viste (piani di tubi)

(ridondanza)

Magnete P_tkick= 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(P_π)/P_π~ 0.3% ⊕0.007%*P_π(GeV/c) σ(dX/dZ)/(dX/dZ)~ 45-15 µrad

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STRAW: module 1

896 straw tubes

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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

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Veto

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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

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LAV: stato istallazione

Ø 8 LAV lungo la regione di decadimento fiduciale

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§ 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

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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

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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

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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

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PID

(Identificazione di particelle)

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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.

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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 H₂a 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

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KTAG

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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, fattore

raggiungibile 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

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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

(31)

Mezzo radiatore: Neon a pressione atmosferica Ø  (n-1) = 62.8 x10^-6 a λ=300 nm (bassa dispersione) Ø  basso peso atomico à X₀piccola à riduzione dello

scattering multiplo

Ø  p²_soglia = 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

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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

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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

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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

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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

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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

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Trigger e acquisizione dati

•  L0: ^Trigger

hardware, scelta basata su segnali veloci prodotti dai sistemi di lettura

software basato sulle informazioni

provenienti da singoli rivelatori (più dettagli,

migliori risoluzioni)

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

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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

(39)

Work in progress!

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NA62 Installation

40

NA62 Experimental Area in October 2012 (technical run)

(41)

CEDAR/KTAG

NA62 Experimental Area in October 2012 KTAG

CEDAR

(42)

CHANTI

42

One of the 6 CHANTI stations

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STRAW

(44)

RICH

44 44

(45)

MUV2 E MUV3

MUV3 MUV2 45

(46)

NA62 TDAQ

46

TEL62 and TDCB

TEL62 crate ready for data taking

(47)

Analysis

(48)

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

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