Post on 15-Jan-2016
description
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 1
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI
(Dipartimento “Particelle e Materia”)
Patrizia Cenci Sezione INFN di Perugia
Riunione CSN1 INFNCatania, 3 luglio 2006
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 2
Il PSI Il Paul Scherrer Institute è il maggiore laboratorio
nazionale svizzero (~ 1200 dipendenti) finanziato principalmente con fondi pubblici
E’ un centro di ricerca scientifica e tecnologica multidisciplinare, la cui priorità è la ricerca fondamentale e applicata: fisica delle particelle elementari e astrofisica fisica dello stato solido e scienza dei materiali biologia e medicina ricerca energetica e scienze ambientali
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 4
Ricerca al PSI
Dipartimenti di ricerca:Dipartimenti di ricerca: Particelle e Materia:
particelle elementari, astrofisica, radiochimica,fasci di ioni Radiazione di Sincrotrone, micro e nanotecnologie:
attività presso la facility per luce di sincrotrone: Swiss Light Source Materia condensata con Neutroni e Muoni:
scattering di neutroni, produzione di neutroni di spallazione, spettroscopia dello spin muonico
Scienze Biologiche: medicina (adroterapia con protoni), radiofarmacologia (radionuclidi),
ricerca biomolecolare (c/o SLS) Energia Nucleare e sicurezza:
fisica dei reattori nucleari e comportamento dei sistemi; idraulica termica; comportamento dei materiali; smaltimento delle scorie; analisi dei sistemi energetici
Energetica generale: cicli di energia e materiali (riciclaggio dei materiali e risorse
rinnovabili), tecnologia solare; combustione; elettrochimica; chimica atmosferica Il Dipartimento delle “Large Research Facilities”Dipartimento delle “Large Research Facilities” si
occupa del supporto tecnico e dello sviluppo delle macchine dell’intero complesso sperimentale del laboratorio
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 5
Dipartimento “Particelle e Materia”
Include 4 Laboratori: Fisica delle Particelle: sperimentale e teorica;
esperimenti all’acceleratore di protoni del PSI con fasci intensi a bassa energia di pioni, muoni e neutroni; al CERN (CMS) e a DESY (H1).
Astrofisica: teorica e osservazionale; ricerca strumentale e tecnologica per lo spazio.
Radiochimica e chimica ambientale: studi chimici e nucleari di elementi pesanti, processi chimici di superficie per chimica atmosferica, atmosfera del passato e ricostruzioni climatiche, caratterizzazione delle scorie nucleari.
Fisica con fasci di ioni: datazione con carbonio, ricerca climatica con radioisotopi a lunga vita media, sviluppo di nuovi spettrometri di massa
Progetto UCN: sorgente di neutroni ultra-freddi
Comitato Scientifico
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 6
Il fascio di protoni al PSI
Ring Cyclotron: 590 MeV,
2 mA DC, 1.2 MWUpgrade 3 mA, 1.8
MW
Cockcroft Walton 872 KeV
Facility di adroterapia
I 1 nA
Ciclotroni iniettoriI1 e I2, 72 MeV
Bersagli per la produzione di π e μ: M (5mm grafite, 2 linee fascio) E (40mm grafite, 5 linee fascio)
Sorgente UCN:n ultrafreddi
SINQ: Spallation Neutron Source
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 8
Fisica adronica a basse energie (test di ChPT): Misura di width (al 1-2%) e shift (al 0.2%) dello stato fondamentale
nell’ idrogeno pionico (in conclusione, ora: proposta per deuterio pionico)
interazioni π-n: fisica adronica a basse energie determinazione della ampiezza di scattering π-nucleone all’ 1% misura della costante di accoppiamento π-n e di effetti di isospin misure di posizione e energia (CCD)
Riunione Comitato Scientifico:
progetti con fasci di π
EK = 2.5 keV
strong interaction observable
as shift and broadening 1s + 7 eV attractive
1s 1 eV
2 isospin scattering length
a = a-p-p a+p+p
isospin invariance: mu = md
a-p-p + a+p+p = - 2 a-pon
1s = + 7.120 0.008 0.006 eV (
0.2%)
H: ChPT 3rd order
40000 eventi attesa 1s / 1s 1.5%
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 9
Test dello SM delle WI dalla misura delle proprietà del π
Esp. PIBETA (concluso): misura di precisione di BR(+→0e+) Esp. PIBETA (seconda fase, proposta nel 2004): studio della
anomalia del decadimento +→e+ approfondimento e ampliamento del programma PIBETA misurate in +→e+ significative deviazioni (20%) dalla forma
standard V-A delle WI nella regione cinematica ad alte-E /basse-Ee+ non spiegabili con effetti sistematici noti dati in altre 2 diverse regioni cinematiche compatibili con le
attese teoriche, e con migliore S/B proposta nuovo esperimento: ottimizzazione della presa dati e
del rivelatore PIBETA (rate minore, migliore S/B, bersaglio semplificato) e ripetizione delle misure di +→e+ in modo da chiarire la situazione
Misura di precisione di BR(+→e+) (proposto nel 2005) test di precisione dello SM nel settore WI fisica BSM
Riunione Comitato Scientifico:
progetti con fasci di π
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 10
Esperimento PIBETA
Scopo: misura del rate del decadimento +→0e+ con precisione <0.5%
Statistica dati (1999-2000-2001): 2.2 x 1013 pioni
Risultati: BR=(1.034 0.004stat0.007syst )x10-8 (1984: BR=(1.026
0.039)x10-8)
Vud = 0.9716(39) (PDG: 0.9734(8))→ in accordo con SM e unitarietà CKM
Eventi +→e+• studi di fondo e canale di normalizzazione (S/B > 250) • calcolo e misura del BR con precisione di ≤ 10-3 → test dello SM
Decadimenti radiativi +→e+ • : da IB (QED) + struttura del → fattori di forma FA/FV (ChPT)
FA/FV = 0.443(15), FA = 0.0115(4) con FV= 0.0259 • studio di termini non (V-A) nelle Interazioni Deboli (anche +→e+)• deviazioni da V-A nella regione cinematica alte-E/basse-Ee+
• dati compatibili con fattore di forma tensoriale FT non nullo
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 11
Esperimento PIBETA(seconda fase)
Proposta nel 2004 nuova serie di misure del processo +→e+γ per chiarire i risultati della prima fase dell’esperimento
Risultati della analisi dei dati del 2004:
Termine tensoriale: FT = (0.08 ± 3.95) x 10-4 FT < 5.1 x 10-4 (90%CL)
Inoltre: misure di precisione di →eγ (4.2x 105 eventi ) Br(→eγ) = (4.40 ± 0.09) x 10-3 (precisione precedente al 30%) parametro di Michel: ≤ 0.033 68%CL (migliorato di un fattore 2.5)
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 12
Esperimento PEN
Proposta (2006): misura di Br(+→e+(γ)) alla precisione di ΔBr/Br ≤ 10-4 con l’apparato sperimentale PIBETA
Motivazione: test dello SM (universalità leptonica)
Competizione: nuova proposta a TRIUMF
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 13
Esperimento PEN: programma
sperimentale
Nel 2006 miglioramenti del
rivelatore esistente run di 6 settimane
a fine anno per test del rivelatore e per ottimizzare la misura
Nel 2007 analisi dei dati e
aggiustamenti del rivelatore 4 mesi di presa dati
a fine anno
Nel 2008 programma analogo
a quello del 2007
Necessari 3x107 eventi puliti, eliminazione del fondo e controllo della sistematica a livello di 10-4
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 14
Fasci di muoni al PSI
Muoni: ottime sonde per misure di fisica dello stato solido, in alternativa ai neutroni (“protoni
leggeri”) fisica delle particelle elementari (“elettroni pesanti” )
PSI: diverse linee di fascio di μ a varie intensità ed energie muoni polarizzati a bassissime energie (0-30 eV: “surface and
subsurface muons”): LMU (Laboratory for muon spin spettroscopy) Fisica dei materiali e dello stato solido: impiantazioni superficiali
tra 10-2 e 102 nm per studi di struttura della materia (campi magnetici interni locali, difetti nei cristalli e impurezze nei materiali) Processi atomici fondamentali: scambio carica, perdita di energia e
scattering nei materiali Fascio di atomi muonici: spettroscopia di precisione per test di QED
muoni ad alta intensità ed energie intermedie (≤ 125 MeV) per studi di fisica delle particelle: misura di precisione della vita media del μ, LFV, cattura atomica del μ, etc
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 15
Fisica delle particelle elementari
con fasci di muoni Fisica dei muoni ad alta energia: DIS e funzioni di struttura (Compass, esperimenti tipo xMC)
Fisica dei muoni a bassa energia e alta intensità: Fisica delle particelle elementari: proprietà del μ
• Test dello SM da misure di precisione delle proprietà del μ (es. GF a < 1% dalla misura della vita media del μ a 1 ppm)
• Fisica BSM: LFV (μ→eγ, conversione μ→e, μ→3e), misure di precisione di parametri sensibili a alte scale di massa (es. g-2), violazione di simmetrie discrete (T, CTP)
Dove: PSI, RAL, TRIUMF, BNL, LANL, Dubna, KEK, … Fasci impulsati (es. RAL):
Chiaro inizio veloce del segnale (tempo di arrivo del fascio) Minore fondo dai muoni precedenti Peggiore duty-cycle
Fasci continui (es. PSI): Rate istantaneo minore a parità di flusso Fondo/pile-up da vecchi muoni
Alte intensità (>MHz), eventi puliti (sistematica) ma: fondo
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 16
FAST: misura della vita media del μ+ (1-2 ppm) MuLan: misura della vita media del μ+ (1 ppm) con
fascio pulsato di μ creato artificialmente MuCap: misura di precisione della cattura di da p
fattore di forma del nucleone a < 10%, test di ChPT precisione sperimentale attuale ~50%, ambiguità previsioni-misure
μCR42β: cattura di μ in atomi per calcoli di precisione degli elementi di matrice nucleare dei processi 2β
Spettroscopia laser del Lamb Shift nell’idrogeno muonico:
valutazione del contributo del protone (misura del “charge-radius” del protone con precisione del 0.1%) per test di precisione di QED rp
rms: ora costante fisica fondamentale, valore attuale (0.8750 ± 0.0068) metodo: shift dei livelli energetici atomici μp (i.e. μp Lamb-shift),
attesa una risonanza μp(2S-2P) apparato sperimentale: fascio di μ-, rivelatore di radiazione X, laser
sviluppato ad hoc per indurre la transizione 2S-2P (impulsi di 6 μm)
Esperimenti con fasci di μ
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 17
p Lamb shift: principio
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 19
Misura della vita media del μ
Metodo sperimentale: prodotti in Metodo sperimentale: prodotti in π→μνπ→μν
+ e+ + e+ ~
coun
ts
time
e+
Semplice misura
di “ slope “
μ+ lifetime = 2.19703(4) s
N.B.: μ- non utilizzati perchè catturati nei nuclei
μ mass = 105.6583568(52) MeV
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 20
Misura di τμ: motivazione
GF = 1.16639(1) x 10-5 GeV-2 → indeterminazione di 9 ppm
L’ errore su GF è dominato dalla misura sperimentale di τμ
Precisione sperimentale attuale su τμ: 18 ppm Indeterminazione teorica < 0.5 ppm
Migliore misura di GF : migliore valutazione di Δr (propagatore W) test di precisione della struttura interna dello SM per le WI (settore di
Yukawa) previsioni accurate dei parametri dello SM (non solo EW: es. MH )
Esperimenti simili: PSI, RAL, TRIUMF
1
192
13
52mGFδ: correzioni radiative diQED all’ordine superiore
rM
gG
W
F 182 2
2
Δr: correzioni EW di ordine
superiore
Misura di τμ a 1 ppm (2 ps) → misura di GF a 0.5 ppm
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 21
Misura di τμ : metodo
Concetti base:
• Statistica: 1012 muoni positivi per τμ a 1 ppm (2 ps) • Sistematica: effetti dipendenti dal tempo che
deformano la curva di decadimento quali: μSR (muon Spin Rotation): gli e+ sono emessi nella direzione
dello spin del μ+, si controlla quindi la polarizzazione del μ+ con bersaglio depolarizzante, campi magnetici locali ad hoc, ricostruzione accurata della catena π→μ→e, rivelatori isotropo e/o simmetrico anisotropie o inefficienze dovute a overlap di tracce e pile-up:
rivelatori molto segmentati per la riduzione del fondo dei “vecchi” μ+ in un intervallo temporale n.τμ
effetti strumentali: efficienze di rivelazione dipendenti dal tempo, guadagni dipendenti da tempo o posizione, etc effetti fisici: formazione di muonio, effetti di stato solido
(polarizzazione) nel bersaglio, decadimenti rari del μ
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 22
Muon lifetime @ PSI: MuLAN
MuLAN (Muon Lifetime Analysis): collaborazione Berkeley, Boston, Illinois, James Madison, Kentucky
Creato artificialmente un fascio impulsato con separatori elettrostatici a 50 KHz (20 μs), rate iniziale 30 MHz, fattore di soppressione 2x10-4 : ~20 μ arrestati nel bersaglio poi fascio spento per 22 μs (~10 τμ )
Rivelatore simmetrico sferico ad alta segmentazioneμSR ridotto con campo esterno correttivo sul bersaglio e uso di diversi bersagli
depolarizzanti Analisi online attraverso WFD (FADC 8 bit, 500MHZ, double-pulse-resolution < 3ns a 10 MHz)Test e commissioning run nel 2005 (+ breve run di fisica) Dati per misura finale nel 2006-2007
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 23
170
MuLAN: il rivelatore
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 24
MuLan: risultati recenti
Misura di τμ a 137 ppm con i dati 2002
Analisi dati 2004 in corso: attesa misura di τμ a ~ 10 ppm (migliore limite attuale)
Dati 2005: ulteriori ≥ 8x108 μ ( precisione statistica a ~ 5 ppm)
Run estensivo di fisica: 2006-2007 Funzionamento del WFD nel 2005:
misura di tempo e energia di ogni impulso ben distinti 3 impulsi diversi nello stesso canale
Dati 2004preliminare
STATISTICA
PRECISIONE
STATISTICA
(1.2 ns)
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 25
Muon lifetime @ PSI: FAST
FAST (Fast Active Scintillator Target): collaborazione CERN, CIEMAT, PSI, Univ. Ginevra
Tecnica: rivelazione della catena π→μ→e con ricostruzione completa della immagine degli eventi in bersaglio attivo Rivelatore veloce ad alta granularità Fascio continuo di π+ (170 MeV/c DC, 1 MHz) arrestati in
bersaglio attivo a barre di scintillatore (4x4x200 mm3, 1536 pixel: y-z dei decadimenti), letti via guide di luce da 96 PSPM
Degradatore a monte del bersaglio per generare una distribuzione omogenea dei punti di arresto dei π nel rivelatore
Ogni μ deve essere originato da un π: ricostruzione dei 2 vertici
Finestra di lettura della catena π→μ→e di 30 μs (-10 μs20 μs) : misura di ~ 30 decadimenti sovrapposti
Raccolti dati a bassa intensità nel 2005 , messa a punto rivelatore e sviluppo DAQ nel 2006 (bassa intensità, 1011 eventi), run finale nel 2007 (alta intensità, 1012 eventi)
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 26
FAST: metodo sperimentale
La tecnica di ricostruzione completa della immagine, evento per evento, riduce l’indeterminazione sistematica: 0.3 ppm per effetti di rivelazione dipendenti dal tempo 0.2 ppm da pile-up/fondo 0.2 ppm da μSR
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 27
Fast: il rivelatore
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 28
FAST: risultati recenti
Misura della vita media del μ+ e del π+ nei dati 2005 (statistica: 0.29 x 1010 eventi)
Nel 2006: run a intensità maggiore (~1011 eventi, upgrade Trigger/DAQ)
Run finale nel 2007 (1012 eventi) by-product: vita media del π+ a 20 ppm (→ world average: 200 ppm)
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 29
Esperimento MuCap
Collaborazione MuCap: PSI; PNPI (Russia); Univ. of California at Berkeley, Univ. of Illinois at Urbana Champain, Univ. of Boston, Univ. of Kentucky (USA); TUM (Germania); Univ. Catholique de Louvain (Belgio)
p n
Scopo dell’esperimento:
• misura all’ 1% del rate di cattura Λ di da p liberi• implica una precisione <7% (3%) sul fattore di forma gp (fattore di forma pseudoscalare indotto da corrente carica debole nucleonica)
Indeterminazione teorica (Heavy Barion ChPT): 2-3%
Precisione sperimentale attuale ~50%, ambiguità teoria-misure
Stato: raccolti nel 2004+05: 4*109 μ-, 2.5*109 μ+; previsti nel 2006 1010 eventi μ- & μ+; in corso studi approfonditi di sistematica
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 30
la misura del rate di cattura ΛS è data da:
1 1
( )' ( )'s
log(counts)
time
μ+
μ –
misura della differenza dei rate di decadimento Λμ
di μ-p vs. μ+ in idrogeno gassoso (ΔΛμ/Λμ ~ 0.15%) la misura di ΛS al ±1% richiede una precisione di 10 ppm sulla misura della slope della
distribuzione→ occorrono 1010 eventi for canale μ+ & μ-
MuCap: metodo sperimentale
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 31
μSC μPWC1 μPWC2
TPC per rivelare le tracce dei μ incidenti e i punti di arresto; Magnete μSR attorno alla TPC (50 gauss verticale) per controllo effetti di spin dei μ+ polarizzati
eMWPC2
eMWPC1
eSC (Hodoscope)
μ beam
MuonDetectors
ElectronDetectors
MuCap: rivelatore
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 32
Fasci di neutroni: il SINQ
(spallation neutron source)
• Scattering di neutroni: efficace metodo per studi di struttura e dinamica della materia condensata (fisica fondamentale, fisica e chimica dello stato solido, scienza dei materiali, biologia, medicina e scienza dell’ambiente)
• SINQ: sorgente continua di neutroni ad alto flusso (~1014 n/cm2/s) prodotti per spallazione da protoni (1.3mA) su Pb: neutroni termici (moderatore: H2D, ) o freddi (moderatore: SD2 , T=-250°)
• UCN Facility: nuova sorgente per neutroni ultra-freddi (< 300 neV) moderati in SD2 in sviluppo al PSI (>1000 n/cm3, in funzione dal 2008)
• Dal 2006 primi neutroni prodotti in MEGAPIE (Megawatt Pilot Source: Europa, US-DoE, Jp, Co): sorgente di neutroni di spallazione a 1 MW con bersaglio di metallo liquido (Pb-Bi eutettico, flusso di n: x 1.3-1.4)
• Attese migliori prestazioni con l’upgrade dell’acceleratore di p (I 3 mA)
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 33
R&D per UCN: materiali perproduzione di n ultrafreddi
Misura della efficienza di produzione di UCN da SD2 e confronto con materiali criogenici come CD4 e O2: R&D per sorgente di UCN di nuova generazione (> 1000
UCN/cm3) disciplina molto attuale: raggiungere n impacchettati molto
densamente per studi di fisica nucleare di grande interesse:• fisica della struttura della materia • fisica fondamentale (precisioni maggiori nelle misure di
proprietà dei n: EDM, vita media, proprietà caratteristiche del decadimento)
questo si ottiene con materiali che abbiano buona sezione d’urto per scattering coerente, piccolo riscaldamento per emissione di fotoni (irraggiamento), piccolo assorbimento di n:
• effettuati studi di efficienza sul SD2 (moderatore in uso per UCN) raffreddato da fase gassosa, liquida o dopo cicli termici: nessuna differenza nel numero di UCN rivelati
• confronto con i materiali criogenici CD4 ed O2 (T < 4°K): produzione maggiore per SD2
R&D analoghi in corso in varie parti del mondo (i.e. USA, Giappone); nello stesso ambito finanziati anche progetti speciali UE
Vita media del neutrone: n = (885 1) s PDG04, KIAE/ILL (878 1) s PNPI/ILL (2006)
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 34
Ricerca di effetti di violazione di Time Reversal nel decadimento di neutroni liberi:
studio delle correlazioni angolari nel decadimento del n misura contemporanea delle componenti trasversali della
polarizzazione degli e- emessi nel decadimento dei neutroni liberi polarizzati (contenute nel piano perpendicolare alla polarizzazione del n iniziale): una differenza è indice di violazione di T Necessari:
• Intensa sorgente di neutroni liberi altamente polarizzati• Polarimetri efficienti per elettroni a basse energie (200-800 keV)
Difficoltà:• Sorgente di decadimenti deboli in presenza di fondo dovuto a
cattura del neutrone • Depolarizzazione degli electroni dovuta a scattering multiplo di
Coulomb nel rivelatore e nel bersaglio nessun effetto misurato ancora presa dati nel 2006 per messa a punto del rivelatore e per fisica presa
dati finale di fisica nel 2007
Esperimenti di fisica fondamentale con neutroni
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 35
Proposta di esperimento nEDM per la misura del EDM
del nContesto: • se T= simmetria esatta: EDMs di nuclei e particelle
elementari = 0 • se EDM≠ 0 sia T che P sono violate• previsione del SM delle WI: dn ~ 10-31 e cm • limite attuale del valore di EDM (2006, RAL-Sussex-
ILL): dn < 3 x 10-26 e cm C.A.Baker et al., hep-ex/0602020
6 ordini di grandezza sopra lo SM delle WI, ma già limita alcune teorie BSM il nuovo progetto: dn ≤ 10-27 e cm
• in preparazione nuovi esperimenti per la misura del EDM del neutrone (≥2008, a ILL, SNS, TUM, JPARC, PSI, …)
• in corso ricerche diverse per la misura di EDM con atomi, molecole, electroni, muoni, nuclei)
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 36
nEDM: metodo Ramsey
Tecnica proposta: metodo Ramsey dei campi oscillanti separati
• Raccolti n polarizzati (spin up e down) in una regione con campi B e E collineari
• si applica spin-flip di π/2 invertendo la direzione del campo E
• si lascia lo spin del n in precessione libera per un periodo di tempo
• si applica un nuovo spin-flip e si analizza, dopo un certo tempo, la polarizzazione del n
si genera in questo modo una figura di interferenza: le frange di Ramsey un EDM non nullo genera diverse posizioni
delle frange (ovvero frequenze di precessione) nel caso di E parallelo e antiparallelo a B il metodo è tanto più sensibile quando più
lunga è la precessione libera parametri critici: stabilità di B (mentre si
inverte E) e la sua omogeneità (sist. dominante)Indispensabile per migliorare la precisione su:
maggiore sensibilità: un maggior numero di UCN controllo della sistematica
RAB95, amp x t = 16.5, t_prec = 50 s, visibility = 0.43, correct Ramsey with two pi/2 spinflips
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
29,66 29,67 29,68 29,69 29,7 29,71 29,72
n-frequency [Hz]
cts/
cycl
e
spinup
spindown
Frange di Ramsey
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 37
nEDM: programma sperimentale
Programma previsto: • studio della tecnica sperimentale e miglioramenti dell’apparato a ILL • prima misura a ILL a fine 2006 • trasporto dello spettrometro RAL-Sussex-ILL al PSI per misura con
nuova sorgente UCN (disponibile dal 2008)• nuovo spettrometro EDM in funzione (nel 2010)
Miglioramenti dell’apparato sperimentale RAL-Sussex-ILL utilizzato a ILL per l’attuale limite:
• misura ridondante (mappa) del campo magnetico con l’uso di magnetometro a Hg addizionale installato all’interno del volume della camera degli UCN, effettuata simultaneamente alla misura del magnetometro esterno e delle frange di interferenza• miglioramento del magnetometro esterno (insieme di magnetometri
di Cs a laser, più veloci, montati esternamente alla camera UCN) • R&D per l’allineamento del CsM, i rivelatori per UCN, e tutto il set-up.
Nuova sorgente UCN: • migliore sensibilità sperimentale grazie alla maggiore statistica;
migliore controllo degli effetti sistematici, immagazzinamento dei neutroni e tempi di precessione di più di 100 secondi
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 38
spare
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 39
Il Ring Cyclotron
Ring Cyclotron a 590 MeV Ring Cyclotron a 590 MeV • si tratta di un ciclotrone a settori separati con energia di fascio fissa di 590 MeV, commissionato nel 1974
• un fascio di protoni a 72 MeV da uno dei 2 ciclotroni iniettori è inviato in un orbita al centro del Ring, accelerato per circa 220 rivoluzioni ed estratto a energia massima attraverso la linea visibile in figura• in corso upgrade per correnti di fascio di 3 mA (1.8 MW)
CaratteristicheInjection Energy 72 MeV
Extraction Energy 590 MeV Extraction Momentum 1.2 Gev/c Energy spread (FWHM) ca. 0.2 %
Beam Emittance ca. 2 pi mm x mrad
Beam Current: ~ 2.0 mA DCBeam Power: > 1 MW
Accelerator Frequency 50.63 MHz Time Between Pulses 19.75 ns
Bunch Width ca. 0.3 ns
Extraction Losses ca. 0.03 %
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 40
La sorgente
UCN al PSIDiamond-LikeCarbon coated~2 m3 trap
2 mA,600 MeVproton beam1% duty cycle
~3 m3 D2O
1.2m
solid D2 at ~5K
UCN shutter open
kick proton beam to UCN
1016 protons s-1 => 1017 neutrons s-1
CN ~ 2 x 1013 cm-2 s-1
PUCN ~ 2 x 105 cm-3 s-1
UCN = PUCN x ~ 6000 cm-3
solid D2 at ~8K after 4-8s
~ 50% UCN ~ 3000 cm-3
close UCN shutter
return proton beam
distribute UCN to experiments
UCN~6000cm-3
~ 3000 cm-3
exp> 1000 cm-3
UCN shutter
solid D2 at ~5K
PSI - Cracow - ILL – Vienna - Efremov
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 41
SLS: Luce di Sincrotrone al PSI
• La Swiss Light Source (SLS) è una sorgente di luce di sincrotrone di terza generazione. Alla energia di 2.4 GeV, fornisce fasci di fotoni di brillanza e stabilità eccezionali per ricerche in fisica dei materiali, in biologia e in chimicaCaratteristiche peculiari di SLS sono:
• ampio spettro di luce (da IR a raggi X duri)•ampia serie di sezioni lineari (brevi, medie e lunghe) che ottimizzano l’uso di diversi tipi di ondulatori•ondulatori con schemi di polarizzazione flessibile (i.e. possibilità di cambiare rapidamente polarizzazione alle frequenze del kHz) •fascio di intensità costante per gli esperimenti (iniezione top-up)•flessibilità delle proprietà ottiche dell’anello: controllo individuale degli alimentatori di ogni magnete• In corso attività per produrre impulsi X molto corti (ora: bunch di
30 ps, separati di 2 ns) nella linea di fascio FEMTO: prevista nel 2006 la
• produzione di raggi X a < 100 fs (sviluppo per il futuro X-FEL del PSI)
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 42
Prestazioni SLS
Brillanza delle
facilities RS esistenti
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 43
I Muoni
• Prodotti in π→μν (26 ns) hanno spin ½ e carica unitaria• Nel sistema di quiete del π hanno momento
magnetico antiparallelo all’impulso: possibili fasci di μ altamente polarizzati (100% per decadimenti di π in quiete)
• Sono instabili e decadono secondo μ±→e±e μ (2.2 μs)
• Il e± è emesso preferibilmente nella direzione dello spin del μ che lo genera
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 44
Esperimento PIBETA
Scopo:Scopo: misura del rate di decadimento β del pione +→0e+ con precisione < 0.5% processo debole fondamentale analogo alle transizioni pure di
Fermi nei decadimenti beta nucleari ma calcolato con minore indeterminazione teorica (< 0.15% , no correzioni nucleari) test stringente del Modello Standard: misura di Vud e test della
universalità di Cabibbo e della unitarietà della matrice CKM
Metodo sperimentaleMetodo sperimentale fascio (πE1): 2x106 +/s, 116 MeV/c, bassa contaminazione di ,e+,p + arrestati in bersaglio attivo (fibre scintillanti): cinematica
chiusa, misura di e+ e 2 nel cms del + fondo principale: +→e+ (BR ~ 10-4) rivelatore: calorimetro em (CsI puro) sferico segmentato con
buona risoluzione in energia e grande copertura in angolo solido; collimatori, degradatore e bersaglio attivi (t.o.f.); MWPC cilindriche a bassa massa
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 45
Risultati da PIBETA: BR() e Vud
ApprovatoApprovato nel 1992, run 1999, 2000, 2001
I Fase esperimento:I Fase esperimento: ~100K eventi β
Risultati dai dati 1999-2000-2001 Risultati dai dati 1999-2000-2001 BR=(1.034 0.004stat0.007syst )x10-8
(1984: BR = (1.026 0.039) x 10-8 )
Vud = 0.9716(39) (PDG: 0.9734(8))→→ in accordo con SM ed unitarietà CKM
Massa invariante
T.o.F. tra evento e arresto del fascio +
(esponenziale: MC vitamedia +)Angolo -
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 46
Nel settore bosonico dello SM per le WI ci sono 3 parametri liberi, valutati dalle 3 grandezze misurate con maggiore precisione:
Costante di struttura fineα(0) = 1/137.035 999 76(50) 0.037 ppm
α(MZ) = 1/127.934(27) 210 ppm
Massa del bosone ZMZ = 91.1876(21) 23 ppm
Costante di FermiGF = 1.16639(1) x 10-5 9 ppm
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 47
Ralph Eichler - Direttore PSI
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 48
Ralph Eichler - Direttore PSI
Catania – 3 luglio 2006
Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 49
K(e)/K() in NA48
NA48/2 (sulla base del run 2003-04) propone:
• in ≈ 6 settimane (2007 ?) di run a ½ intensità 2003 e duty-cycle del 50% 90 000 Ke2 e 27 milioni di K2
incertezza statistica 0.46%
• la sistematica è dominata dalla incertezza sulla efficienza di trigger e sulla sottrazione del fondo: incertezza sistematica 0.52%
• totale: 0.52% 0.46% = 0.70%
×10-5
( )1
( )SM ee
K K K
K eR R r
K
2exp / 2 10R R
≈ 0.3÷0.4% incertezza totale, usando un fascio di K+
da 75 GeV/c con p/p = 2% e un maggiore PTkick