e fisica dei K carichi con NA48 al CERN

Decadimenti rari del K

e fisica dei K carichi con NA48 al CERN

Decadimenti rari del K

e fisica dei K carichi con NA48 al CERN

Riccardo Fantechi

INFN - Sezione di Pisa

XV IFAE - Lecce 24 Aprile 2003

Sommario Sommario

• 1997-99: presa dati per la misura di ε’/ε

– Misura della massa del mesone η e della vita media del K_S – Studi di decadimenti rari del K_s

– Misure sui decadimenti degli iperoni

• NA48/1: K

ad alta intensitá

– Motivazioni di fisica

– Risultati pubblicati (K_S → γ γ ) e preliminari (K_S → π⁰γ γ, K_S

→ π⁰π⁰π⁰)

– Analisi dei canali carichi (K_S → π⁰e⁺e^-, iperoni) in corso

• NA48/2: fisica dei K carichi

– Motivazioni di fisica

– Beam e upgrade del rivelatore per il run del 2003 – Risultati qualitativi da un test run nel 2001

I fasci di NA48

I fasci di NA48

Il rivelatore di NA48 Il rivelatore di NA48

LKr Calorimeter:

σσ(E)/E ≅(E)/E ≅ 3.2%/√3.2%/√E ⊕E ⊕ 100MeV/E ⊕100MeV/E ⊕ 0.42%0.42%

Spectrometer:

p_T kick ~250 MeV/c

σσ(P)/P (P)/P ≅≅ 0.48% ⊕0.48% ⊕ 0.009 P[GeV/c]%0.009 P[GeV/c]%

σ_M(π⁰π⁰) ~ σ_M(

π

π

Risultati con dati “ε’/ε”

Risultati con dati “ε’/ε”

• Misura di precisione della massa del mesone ^η

– M_η = 547.843 ± 0.030_st ± 0.045_sy → differenza di 4.2σσ dal valore PDG (547.30 ± 0.12 )

• Vita media del K_S

– τ_s = (0.89598 ± 0.00048_st ± 0.00043_sy ± 0.00027_MCst)*10^-10s → accordo con le misure di Ktev e NA31

• K_S → π⁰e⁺e^-

– Limite superiore per il BR: BR < 1.4*10^-7

• Iperoni

– M(Ξ⁰) = 1314.82 ± 0.06_st ± 0.2_sy MeV/c²

– BR(Ξ⁰ →Λγ) = (1.9±0.2)*10^-3 BR(Ξ⁰ →Σ⁰γ) = (3.7±0.5)*10^-3 – 60 eventi del decadimento Ξ⁰ →Σ⁺e⁻ν

NA48/1: K

ad alta intensitá Motivazioni di fisica

NA48/1: K

ad alta intensitá Motivazioni di fisica

• K_S→ π⁰ e⁺ e^-, K_S→ π⁰ µ⁺ µ^-

– Vincoli alla violazione indiretta di CP nel corrispondente decadimento del K_L

• Violazione di CP nei decadimenti del K_S – K_S→ 3π⁰, misura di η₀₀₀

• Tests di χPT

– K_S→ γ γ, K_S→ π⁰ γ γ, K_S→ π⁰ π⁰ γ γ

• Decadimenti semileptonici e radiativi degli iperoni neutri

– Migliorare i risultati dei risultati di NA48 su Ξ⁰→Σ⁺e^-ν , Ξ⁰→Σ⁺µ^-ν , Ξ⁰→Σ⁰γ , Ξ⁰→Λγ

– Limite superiore al BR (Ξ⁰→pπ⁻) (doppio decadimento beta)

Run K

ad alta intensitá Run K

ad alta intensitá

• Test run 1999

• Run 2000 – Senza spettrometro

– Run “far target” (K_L) con campo magnetico

• Studio di sistematici per l’analisi ε’/ε

• Calcolo di accettanze e studio di fondi per i decadimenti K_s – Run “near target” (HIK_S) senza campo magnetico

• Decadimenti rari neutri del K_s

– Raccolti 10¹⁰ decadimenti di K_S in ~40 giorni

Run K

ad alta intensitá Run K

ad alta intensitá

• Run 2002

– Upgrades del fascio e del readout

• Sweeping magnet

• Nuovo readout delle camere

• Velocizzazione readout calorimetro – Raccolti 4.4*10¹⁰ decadimenti di K_S in circa 2 mesi di presa dati “buona”

• 5*10¹⁰ ppp

• SES (accettanza 5%) ≈ 4.5* 10^-10

K

→ γ γ K

→ γ γ

• K

→ γ γ is interessante perche’ e’ calcolabile in χ PT senza contro-termini ed e’ sensibile ai loops

– Predizione teorica: BR(K_S → γ γ ) = (2.1 ± 0.2)*10^-6 – Risultato di NA31: BR(K_S → γ γ ) = (2.4 ± 0.9)*10^-6

• Risultato pubblicato dai dati del run HIKs del 1999 BR (K

→ γ γ ) = (2.58 ± 0.36

± 0.22

)*10

Phys. Lett. B493 (2000) 29

K

→ γ γ K

→ γ γ

• Nuovo risultato basato sul run del 2000

– Dati dal run “near target”

– Normalizzazione con K_S → π⁰π⁰ – Principali fonti di background

• K_S → π⁰π⁰ con solo due fotoni nel calorimetro ⇒ il vertice ricostruito si muove in avanti ⇒ taglio in z tra –1m e 5m

• K_L → γ γ irriducibile (1.5 volte il segnale nel volume di decadimento): si misura usando K_L →3 π⁰ per stimare il flusso e dati del run “far target” per la misura di

Γ(K_L → γγ )/Γ(K_L → 3π⁰)

Γ(K_L → γγ )/Γ(K_L → 3π⁰) = (2.81 ± 0.01_st ± 0.02_sy)*10^-3 PDG value = (2.77 ± 0.08 )*10^-3

K

→ γ γ - Risultato K

→ γ γ - Risultato

Correzione sistematica globale –1.8 ± 1.4 %

Numero totale di K_x → γγ 19916 Errore statistico ± 2.0 %

Errore statistico sul MC ± 0.6 % BR(Ks → γγ) = (2.78 ± 0.06_st ± 0.02_MCst ± 0.03_sy)*10^-6

Phys. Lett. B551 (2003) 7

K

→ γ γ – Risultato K

→ γ γ – Risultato

•Il risultato di NA48 e’ compatibile con le misure precedenti

•Mostra il 30% di differenza verso la previsione O(p⁴) di χPT

•C’e’ un indicazione per un grosso contributo O(p⁶)

K

→ π

γ γ K

→ π

γ γ

• Fino ad ora non osservato

• NA48 dai dati del 1999:

BR(K_S → π⁰γ γ )_zq>0.2 < 3.3*10^-7 90% CL

• Previsioni χPT:

BR(K_S → π⁰γ γ )_zq>0.2 = 3.8*10^-8

Dipendenza dal momento del vertice debole

• In principio e’ possibile studiare la struttura del vertice debole dalla distribuzione in z_q

K

→ π

γ γ – Risultato preliminare K

→ π

γ γ – Risultato preliminare

• Dati del “near target” run del 2000

• Normalizzato a K_S → π⁰ π⁰

• Background principali

– Beam activity → time, anti counters

– K_S → π⁰ π⁰, K_S → π⁰ π⁰_D→ tagli cinematici – K_L → π⁰γ γ → irriducibile

–

Ξ

→Λ

→ n

• Statistica insufficiente per verificare la struttura chirale del vertice

K

→ π

γ γ – Risultato preliminare K

→ π

γ γ – Risultato preliminare

• Prima osservazione - risultato preliminare:

BR(K_S → π⁰γ γ )_Zq>0.2 = (4.9 ± 1.6_stat ± 0.8 _syst)*10^-8 Previsione χPT : BR(K_S → π⁰γ γ )_Zq>0.2 = 3.8*10^-8

La probabilita’ che ≥ 31 eventi siano consistenti con il fondo e’ 9*10^-4 17.4 ± 6.2

Eventi rimanenti

± 0.7 Accettanza

-3.8 ± 0.0 Fondo K_L → π⁰γ γ

-2.4 ± 1.2 Fondo K_S → π⁰ π⁰_D

-7.4 ± 2.4 Beam activity

31.0 ± 5.6 Eventi nella zona del segnale

K

→ π

π

π

e misura di

K

→ π

π

π

e misura di

) (

) (

0 0 0

0 0 0

000

π π π

π π

η ⁼ _→ ^→ π

L S

K A

K

A

Re(η₀₀₀) →Violazione di CP nel mixing Im(η₀₀₀) → Sensibile alla violazione

diretta di CP Si usano i dati “near-target”del run 2000 → 5.9*10⁶ eventi

Correzione di accettanza al primo ordine con i dati “far-target”

Correzioni montecarlo solo per effetti di secondo ordine Si fa il fit per energie tra 70 e 170 GeV a



 + + ℜ ∆ −ℑ ∆

=

= ( ) 1 ⁻ 2 ( ) ⁻ ( ( )cos( ) ( )sin( ))

) ,

( 000 000

2 / 2 / /

2 / 3 000

3

0

0 A E e D E e e mt m mt

I t I E

f _far ^{t L t S t L t S}

near

η

η η

π π

D(E): diluzione alla targhetta (da NA31)

K

− K

K

→ π

π

π

e misura di

K

→ π

π

π

e misura di

• Lasciando liberi Re(η₀₀₀) e Im(η₀₀₀), il fit dá

Re(η₀₀₀) = -0.026 ± 0.010_stat Im(η₀₀₀) = -0.034± 0.010_stat ρ=0.8

± 0.011

± 0.005 Totale

± 0.002

± 0.001 Fit

± 0.004

± 0.003 Diluzione

± 0.001

± 0.001 Scala di energia

± 0.006

± 0.001 Attivitá accidentale

± 0.008

± 0.003 Accettanza

Im(η₀₀₀) Re(η₀₀₀)

Systematics Risultato preliminare:

Re(η₀₀₀) = -0.026 ± 0.010_stat ± 0.005_sys Im(η₀₀₀) = -0.034 ± 0.010_stat ± 0.011_sys

CPLEAR:

Re(η₀₀₀) = 0.18 ± 0.14_stat ± 0.06_sys Im(η₀₀₀) = 0.15 ± 0.20_stat ± 0.03_sys

K

→ π

π

π

e misura di

K

→ π

π

π

e misura di

• Imponendo CPT

→

SND: BR(K_S → π⁰ π⁰ π⁰ ) < 1.4*10^-5

• Test di CPT usando la relazione di Bell-Steinberger

α₀₀₀= ((-0.009 ±0.004) + i (0.012 ±0.005))*10^-3

Im(δ) = (-1.2 ± 3.0)*10^-5

precedente (2.4 ± 5.0)*10^-5

M(K⁰)-M(K⁰_bar) = (-1.7 ± 4.2)*10^-19 GeV

Risultati preliminari

Analisi dei dati 2002 - K

→ π

e

e

Analisi dei dati 2002 - K

→ π

e

e

Dati 2002

MC π⁰ e⁺ e^- MC π⁰ π⁰_D

Analisi dei dati 2002 - Iperoni Analisi dei dati 2002 - Iperoni

Ξ⁰ →Σ⁺e⁻ν

Massa invariante pπ^-

~ 9000 eventi Ξ⁰ →Λ⁰γ

Massa invariante Λγ Ξ⁰ →Λ⁰γγ

Massa invariante Λγγ

NA48/2 – Fisica dei K carichi NA48/2 – Fisica dei K carichi

• Misura della violazione diretta di CP nei decadimenti dei K carichi

– K⁺→π⁺π⁺π⁻, K⁻→π⁻π⁺π⁻, K^±→π^±π⁰π⁰

• Studio del condensato di quark nel modo di decadimento K

per misurare la lunghezza di scattering a

• Altri decadimenti rari dei K carichi

– K^±→π^±(nγ), K^±→π^±π⁰γ, K^±→π^±e⁺e^-

– K^±→π^±µµ, K^±→π⁰e^±νγ, K_e2, K_µ2, pionio, …

Violazione diretta di CP nei decadimenti di K

Violazione diretta di CP nei decadimenti di K

• Matrice di decadimento K

– |M(u,v)|² ∝ 1 + g*u + h*u² + k*v²

• u,v variabili del plot di Dalitz u = (s₃-s₀)/m_π²,v = (s₁-s₂ )/m_π², dove s₃ si riferisce al pione “dispari”

– Violazione diretta di CP ⇒ A_g ≡ (g⁺ - g^-)/ (g⁺ + g^-) ≠ 0 – La teoria predice per A_g valori tra 10^-6 and 10^-4 – ∆(A_g) ≈ 10^-4 ≈ 3.7*√ (1/N₊ + 1/N_-)

• Limitazione principale dalla statistica ⇒ 10¹⁰ decadimenti for ∆(A_g) ≈ 10^-4

Violazione diretta di CP nei decadimenti di K

Violazione diretta di CP nei decadimenti di K

• Strategia di presa dati

– Misurare

– Presa dati nelle seguenti condizioni:

• Fasci K⁺ and K^- simultanei nello stesso volume fiduciale

• Alternanza del campo magnetico dello spettrometro per equalizzare le accettanze anche in presenza di imperfezioni localizzate

• I rapporti sono misurati in bin di P e con opposte polaritá di B. La media finale su P and B e’ independente dalle

accettanze

– La simulazione mostra che la sistematica totale e’ ≤5*10^-5

( ) ( )

( ) (

)

− +

−

∗ +

≈

= ∫

∫ _{u g g}

v u M dv

v u M u dv

R 1

, ,

2 2

Fasci simultanei focalizzati di K

K

Fasci simultanei focalizzati di K

K

10¹² ppp, 5.2/16.8 s duty cycle 3.1*10⁶ K⁺,1.8*10⁶ K^-/pulse

7.3*10⁹ K⁺, 4.4*10⁹ K^- in 120 gg al 50% di efficienza Implica ∆_statA_g ≤ 10^-4, ∆ _stata₀⁰ < 0.01

……ma soli 78 giorni di fascio nel 2003!

KAon BEam Spectrometer KAon BEam Spectrometer

• Scopo

– Misura dell’ impulso dei K del fascio per risolvere le ambiguita’ nella ricostruzione K_e4 e per la ricostruzione dei decadimenti in 3 pioni, uno dei quali non viene rivelato

• Soluzione

– Camere MSGC con 60 mm drift a strip di 1 mm con misura di due coordinate → δp/p ≈ 1%, δ_{X, Y} ≈ 0.25 mm

Inoltre per quanto riguarda il K_e4, l’identificazione dell’

elettrone viene migliorata con l’uso di un algoritmo di rete neurale che utilizza le informazioni del calorimetro e.m.

Test run nel 2001 Test run nel 2001

• Alcune ore di presa dati nel 2001, usando fasci di π /K positivi e negativi con energia media di 60 Gev

• Utili per l’ ottimizzazione del run finale

– Ottimizzazione della logica di pretrigger – Verifica dei rates nei rivelatori

– Ottimizzazione degli algoritmi del processore del trigger di livello 2

– Nessuna limitazione incontrata per rates e inefficienze di trigger

• Pratica con l’ analisi dei dati

Test run nel 2001 – Risultati Test run nel 2001 – Risultati

Reconstructed K mass Dalitz plot for accepted K decays

Asymmetry in bins of energy

Asimmetria media ottenuta: (-2±7)*10^-3

Migliore misura diretta (BNL) is (-7 ±5)*10^-3

Conclusioni Conclusioni

• Risultati del run ad alta intensitá del 2000 – K_S → γγ pubblicato

– Risultato preliminare sulla prima osservazione del decadimento K_S → π⁰γγ

– Miglioramento dell’ errore nella misura di η₀₀₀ e vincoli su CPT

• In corso l’ analisi dei dati raccolti nel 2002 – Misura del BR(K_S → π⁰e⁺e^-)

– Decadimenti beta degli iperoni – Decadimenti radiativi degli iperoni

• Run con fascio di K carichi

– Inizia tra circa un mese per circa 80 giorni

– Con un test run nel 2001 si sono messe a punto le tecniche di analisi