Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre

Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre

Mauro Piccini INFN Perugia

Perugia – 30 Marzo 2011

la ricerca di nuova fisica oltre

il Modello Standard

Sommario

Breve introduzione

– Il sistema de mesoni K e la violazione di CP

– Decadimenti rari dei K nel Modello Standard e oltre

L’esperimento NA62

– Il nuovo apparato sperimentale per la misura di BR(K⁺→→→→ππππ⁺νννν))))νννν_ K

– NA62 fase I: la misura di R_K = Γ(K^± →e^± ν) / Γ(K^± →µ^± ν)

Attività del gruppo di Perugia

– Il RICH (Ring Imaging CHerenkov detector) di NA62 – Test su prototipi al CERN e a Perugia

– Il read-out del RICH, contributo al trigger di NA62

Mixing di quark nello SM

Per i quark gli stati di massa non

corrispondono agli autostati di sapore

Matrice CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) :

• Elementi diagonali non nulli

 Violazione del sapore

(angolo di Cabibbo, GIM)

Con 3 (o più) famiglie di quark:

' '

'

ub cb td

ud us

cd cs

ts tb

V V V V

d d

s s

b b

V

V V

V V

    

    

   =  

    

    

• Con 3 (o più) famiglie di quark:

 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

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:

Decade in 2π per conservare CP (vita media corta)

Decade in 3π per conservare CP (vita media lunga)

_

_

Già nel 1964 evidenza sperimentale di violazione di CP, ridefinizione degli autostati di massa:

(vita media corta) (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 2ππππ

NA48

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

NA48

Ricerca di violazione diretta di CP nei decadimenti K^±→ 3ππππ

Misura delle lunghezze di scattering ππππππππ

Decadimenti rari del K_S, prima osservazione e misura del BR di

K_S  π πππ⁰e⁺e^- e K_S  ππππ⁰µµµµ⁺µµµµ^-

NA48/1

NA48/2

Decadimenti rari di K 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 ~ λλλλ V_cb ~ λλλλ^{2 2 2 2} Α Α Α Α V_ub ~ λλλλ^{3 3 3 3} Α(Α(Α(Α(ρρρρ−−−− iηηηη) ) ) V) _td ~ λλλλ^{3 3 3 3} Α(1Α(1Α(1Α(1−−−−ρρρρ−−−− iηηη))))η

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_cdV^*_cb

K_L →π⁰µ⁺µ^– λ

λ λ

λ_t = V_td V^*_ts Im λλλλ_t = ΑΑΑΑ² λλλλ⁵ ηηηη Re λλλλ_t = ΑΑΑΑ² λλλλ⁵ ρρρρ Golden modes

Il decadimento

Il decadimento K K ^{+ +} → → → → → → → →π π π π π π π π ^{+ +} ν ν ν ν ν ν ν ν ν ν ν ν ν ν ν ν

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:

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

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:







Stato dell’arte 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→ → πππ⁺ νννν ) = (1.73νννν ^+1.15_-1.05)× 10^-10

Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 191802

_

Compatibile

con lo SM

L’esperimento NA62 L’esperimento NA62

Collaborazione

Collaborazione NA62NA62

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 Schema del rivelatore

 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))

 Le particelle non decadute viaggiano nel tubo a vuoto centrale

 Goal: misura di O(100) eventi in 2 anni di presa dati riducendo l’errore sistematico fino al livello di qualche %

Tecnica di misura 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

dimensioni

Necessità di misurare l’impulso di ogni K Fascio non separato di adroni

Segnale difficile da identificare e raro: BRBR_SMSM=8x10=8x10^--1111

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 /I Reiezione cinematica /I

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

La variabile fondamentale è la massa mancante, utilizzata per definire due regioni di segnale poco popolate dal fondo

 Estremamente importante avere buona risoluzione nella ricostruzione della massa mancante

 Necessario misurare sia l’impulso del kaone che quello del pione

 Ridurre il materiale (specialmente nella zona dello spettrometro magnetico) per minimizzare lo scattering scattering multiplomultiplo

Reiezione cinematica /II Reiezione cinematica /II

Misura dell’impulso in un fascio ad alta intensità → 3 stazioni inserite in un

sistema di dipoli

Il Gigatracker:

18000 pixel, rate di 150 kHz per ogni singolo pixel nella zona centrale

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

Reiezione cinematica /III 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/X per vista) 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

σσ σσ σσ

σσ(P(P_{ππππππππ})/P)/P_{ππππππππ}~ 0.3%~ 0.3% ⊕ ⊕ ⊕ ⊕ ⊕0.007%*P ⊕ ⊕ ⊕0.007%*P_{π π π π π π π π} ((GeVGeV/c)/c) σσ

σσ σσ

σσ((dXdX//dZdZ)/()/(dXdX//dZdZ)~ 45)~ 45--15 15 µµµµµradµµµrad

Veto e PID 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:

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 a largo angolo (LAV) 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:

inefficienza < 10^-4 per positroni a 476 MeV

risoluzione temporale di 700 ps

3 anelli già costruiti

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)

Veto ad angoli intermedi Veto ad angoli intermedi

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 a piccoli angoli Veto a piccoli angoli

Tre piccoli rivelatori fanno parte di questa categoria:

 CHANTI: Posizionato dopo l’ultima stazione del Gigatracker per rivelare particelle provenienti da interazioni del fascio nei collimatori e nel Gigatracker stesso

 IRC: Per rivelare i fotoni in prossimità del tubo a vuoto dove passano le particelle del fascio non decadute, posizionato prima dell’LKr

le particelle del fascio non decadute, posizionato prima dell’LKr

 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

PID dei K del fascio 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

di decadimento ( è sufficiente ottenere un vuoto a livello di 10^-5 mbar).

Tecnica: Rivelatore Cherenkov differenziale (il radiatore e H₂)

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

Identificazione di Identificazione di µ µ µ µ µ µ µ 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 nelo 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 gia raggiunta in test su fascio

LKr

MUV 1-2 MUV 3

Risoluzione temporale migliore di 1 ns gia raggiunta in test su fascio

Trigger e acquisizione dati Trigger e acquisizione dati

• L0L0: ^Trigger

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

• L1L1: ^Trigger

software basato sulle informazioni

provenienti da

RICH MUV CEDAR STRAWS LKR LAV

L0TP

L 0

1 MHz

1 MHz ^{1 MHz}

10 MHz

provenienti da singoli rivelatori

(più dettagli, migliori risoluzioni)

• L2L2: ^Trigger

Software basato sui dati di tutti i

rivelatori

(informazioni correlate)

PC PC PC PC

L0 trigger

Trigger primitives

Data CDR

O(KHz)

E B

GigaEth SWITCH

PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC

L 2 L 1

PC PC PC PC PC PC

NA62: proiezioni NA62: proiezioni

 4.8·10¹² decadimenti per anno (ragionevole, circa 4 mesi di presa dati)



 flusso x50 rispetto a NA48 (con la stessa intensità di protoni dall’SPS)

 reiezione ππππ⁰ a livello di 2·10⁸

 Accettanza per il segnale O(10%)

 Assunzione: 100% efficienza di trigger

NA62 fase I

R_K e SUSY:

Masiero, Paradisi, Petronzio

(hep-ph/0511289 PRD74,2006)

violazioni supersimmetriche del sapore leptonico (SUSY LFV) possono modificare il valore di R_k del 2-3 %

 Test dell’Universalità Leptonica e dell’accoppiamento V-A

 Predizione accurata del Modello Standard:

R_K =

= (2.477 ± 0.001) ×××× 10^-5

( )

( )

⁽

⁾

e K

e

e R

m m

m m

m m K

e

K δ

ν µ

ν

µ µ

µ

 +













−

= −

→ Γ

→ Γ

±

±

±

±

1

2

2 2

2 2

2 2

Definizione di R

=Γ(K

→e

ν) / Γ(K

→µ

ν)

R_k del 2-3 %

R_K^SUSY = R_K^SM · (1+∆∆∆∆R_SUSY) con |∆∆∆∆R_SUSY| ~ 2-3%

= (2.477 ± 0.001) ×××× 10^-5

V. Cirigliano, I. Rosell (JHEP 0710, 2007, 005)

Misura con parte dei dati raccolti nel 2007 ad hoc:

Phys.Lett.B698:105-114,2011

In accordo con lo SM

Il RICH di NA62 Il RICH di NA62

Per ridurre il fondo del decadimento

K

 µ

ν

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 (G. Anzivino, P. Cenci, E. Marinova, responsabilità dei gruppi di Perugia (G. Anzivino, P. Cenci, E. Marinova, M. Pepe, R. Piandani, M. P.)

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

Principio di funzionamento Principio di funzionamento

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 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.

Mirror Mosaic 17 m focal length

2 x ~1000 PMT Vessel:

~18 m long,

~3.7 m diameter

Schema Schema

Beam Pipe

Beam

Filled with Neon

Mezzo radiatore: Neon a pressione atmosferica

 (n-1) = 62.8 x10^-6 a λ=300 nm (bassa dispersione)

 basso peso atomico  X0 piccola  riduzione dello scattering multiplo

 p²soglia = m²/(n²-1) = (12 GeV/c)² per π

Specchi: Forma esagonale

 inscritti in cerchio di diametro 70 cm

Caratteristiche del RICH Caratteristiche del RICH

 inscritti in cerchio di diametro 70 cm

 17 m di lunghezza focale, 18 specchi + 2 semi- esagonali al centro

Fotomoltiplicatori: Hamamatsu R7400 U03 Collettori di luce: Coni di Winston

 18 mm di diamentro

Prototipi del RICH 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:

 96 PM Hamamatsu R7400 U03/U06

 Misura risoluzione temporale e scelta PM Prototipo RICH-400:

 414 PMT Hamamatsu R7400 U03

 Misura della separazione π−µ

Risultati del test 2009 Risultati del test 2009

Illuminazione PM @15 GeV

π ππ

π “µµµµ”

e

@15 GeV @35 GeV

Raggio anello

Il “µ” @ 15 (35) GeV/c in realtà è un _π @ 20 (46.2) GeV/c

Fattore di soppressione integrato per µµµ: ~0.7%µ

Risoluzione temporale

Attività recenti sul RICH Attività recenti sul RICH

I test del 2007 e del 2009 hanno evidenziato che le prestazioni necessarie per il RICH di NA62 sono raggiungibili e che la tecnica di costruzione è adeguata allo scopo e fattibile.

Nucl. Instrum. Meth. A 621 (2010) 205.

Nucl. Instrum. Meth. A 593 (2008) 314.

Attualmente, per quanto riguarda il gruppo di Perugia, il lavoro prosegue sui seguenti argomenti:

 Analisi di parte dei dati del test del 2009

 Analisi di parte dei dati del test del 2009

- Effetti di contaminazione del Neon - Riflettività dei coni di Winston

 Completamento e ottimizzazione del Monte-Carlo di NA62

- Librerie per la simulazione veloce del RICH - Simulazione completa del LKr

 Studi sul funzionamento dei fotomoltiplicatori immersi nel Neon

 Implementazione del Read-out del RICH e della parte di Trigger basata sul RICH

 Test e caratterizzazione dei fotomoltiplicatori

PM immersi nel Neon PM immersi nel Neon

Configurazione base:

La finestra di quarzo (incollata alla

flangia) garantisce la separazione fra il Ne nel cilindro e l’aria nella zona dei PM.

Tuttavia la presenza della finestra introduce due riflessioni parziali,

riducendo di circa il 10% il numero di fotoni che raggiungono i PM.

Nuova configurazione:

I PM sono immersi nel Neon, la separazione fra Ne e aria è garantita da un feed-through che garantisce anche la connessione elettrica fra partitore e PM.

Da provare:

 Tenuta

 Assenza di scarica (200V fra 2 mm in Ne)

Il separatore Il separatore

Essenziale il contributo

dell’officina meccanica e del laboratorio di elettronica per la

preparazione e la realizzazione dei componenti utilizzati nelle

verifiche in laboratorio

Durante i test di tenuta preziosa la collaborazione del Prof. Sacchetti collaborazione del Prof. Sacchetti

Risultati Risultati

La realizzazione di un separatore che garantisca la purezza del Ne è possibile.

Tuttavia con i PM immersi nel Neon sono state misurate scariche già a 700 V (punto di lavoro a 900 V).

Lasciando contaminare il Neon dall’aria le scariche iniziano già a partire da 500 V.

La catena di

La catena di rreadout eadout

Nel nostro laboratorio abbiamo implementato (in scala, 24 canali rispetto ai 2000 finali) l’intera catena di read-out del RICH

Distributore HV Preamplificatori Discriminatori PC di acquisizione

TDC

Scheda gestione dati

Camera contenimento del laser

Flangia PM Discriminatori

Generatore del clock HV

Risoluzione temporale PM Risoluzione temporale PM

Il sistema permette di verificare le risoluzioni temporali e le efficienze dei 2000 fotomoltiplicatori che saranno utilizzati nel RICH

TELL1/TEL62 TELL1/TEL62

Carte con TDC

E’ il cuore del sistema di lettura e di trigger

CPU (linux SLC4)

FPGA (Field programmable Gate Array) Per la gestione dei dati provenienti dai TDC

4 porte Gb

FPGA per la gestione dati

Tell1  sviluppata per LHCb Nucl Instrum Meth A 560 (2006) 494.

Tel62 nuova versione per NA62:

 + unità logiche nelle FPGA (a parità di connessioni)

 memorie DDR2 per la scrittura temporanea dei dati più capienti

TEL62 TEL62

Oltre a gestire la ricezione dei tempi misurati dai TDC, provvede al Oltre a gestire la ricezione dei tempi misurati dai TDC, provvede al riordino e all’impacchettamento dei dati e alla loro spedizione ai PC di acquisizione attraverso le porte Gbit ethernet.

Nelle FPGA saranno implementati algoritmi di selezione veloci che contribuiranno al trigger di livello 0 (L0) dell’intero esperimento

Work in progress!

Work in progress!