Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 1/50 STUDIO DEL PROCESSO pp Y(4260) J/ + l +...

Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 1/50

STUDIO DEL PROCESSO

pp Y(4260) J/ +l+l- +

CON L’ESPERIMENTO PANDA

Al FAIR/GSI

IndiceIndice

Introduzione

Fisica di PANDA

Spettroscopia del charmonio

Rivelatore di PANDA

Simulazione

Identificazione delle particelle

Ricostruzione dei vertici di decadimento

Risultati dell’analisi

Studio del fondo

Conclusioni


IntroduzioneIntroduzione Upgrade del complesso di

acceleratori di GSI

FAIR: Facility for Antiproton and Ion Research

Due Sincrotroni:

SIS100 e SIS300

Rate di produzione degli antiprotoni: 2107/s

Antiprotoni trasferiti all’High Energy Storage Ring (HESR) dove sarà installato il rivelatore PANDA

Fascio di antiprotoni con un momento variabile da 1 a 15 GeV/c Alta Alta

luminositàluminositàAlta Alta

risoluzionerisoluzione

p/p=10-4 p/p=10p/p=10-5-5

L=10L=103232cmcm-2-2 s s-1-1 L=1031cm-2 s-1


La fisica di PANDALa fisica di PANDA

Spettroscopia del charmonio

Spettroscopia adronica: glueball, ibridi

Modificazioni delle proprietà dei mesoni in un mezzo nucleare

Studio degli ipernuclei strani doppi o singoli

Studio dei fattori di forma elettromagnetici del protone nella regione time-like.

Funzioni di distribuzione dei partoni, decadimento dei mesoni D, violazione di CP nel settore del charm e nel settore strano


La spettroscopia del charmonioLa spettroscopia del charmonio


Gli stati sotto sogliaGli stati sotto soglia

J/J/ – – • Sono gli stati 13S1 e 23S1

• Scoperti in annichilazione e+e- da SLAC e Brookhaven

• Confermati da E760 al Fermilab

• Massa J/(3096±0.011) MeV/c2

• Larghezza J/: (93.4±2.1) KeV

• Massa : (3686±0.034) MeV/c2

• Larghezza : (337±13) KeV



cc

Stato fondamentale del charmonio: 11S0

Massa pari a (2980.4±1.2) MeV/c2

Non può essere prodotto in annichilazione e+e- ma in annichilazione protone-antiprotone

E’ possibile osservare il decadimento c

Errore sulla stima della massa è ancora maggiore di 1 MeV e le misure delle larghezze hanno valori discordanti



c c Stato 21S0 del

charmonio

Decadimenti simili a quelli dell’c


Scoperta da Belle nel decadimento B K(KsK)c’

Confermata da CLEO (Cornell), BaBar nelle collisioni

Massa c’: (3638±4) MeV/c2

Larghezza c’: (14±7) MeV


hhc c Singoletto in onda P del

charmonio

Importante per la determinazione delle componenti del potenziale dipendenti dallo spin

Osservata la prima volta dall’esperimento E760 nel processo pp hc J/0. Ne fu misurata la massa (3526±0.3 MeV/c2) ma fu dato solo un limite superiore alla larghezza

Fu osservata da E835 in pp hc c

e da CLEO in hc c dove c decade in adroni

La sua larghezza è inferiore a 1 MeV



cJ cJ

Sono stati 3PJ

In collisione protone-antiprotone sono state misurate con grande precisione le masse e le larghezze, oltre che le larghezze dei decadimenti radiativi

Massa (MeV)

Larghezza (MeV )

c0 3414.760.35 10.40.7

c1 3510.660.07 0.890.05

c2 3556.200.09 2.060.12


Gli stati sopra sogliaGli stati sopra soglia

La regione oltre i 3.73 GeV, sopra la soglia DD, è poco conosciuta e ricca di nuova fisica

Gli stati D sono quattro di cui uno solo è identificato con certezza: 3D1 denominato (3770)

Gli stati 1D2 e 3D2 sono stretti in quanto non possono decadere in DD per conservazione della parità

Lo stato 3D3 decade principalmente in DD in onda f

Molti stati non ancora interpretati: X(3872), Y(4260), Z(3930), Y(3940), X(3940).



X(3872)X(3872)

E’ stata scoperta da Belle nel 2003 nel decadimento J/+-

Confermata da CDF, BaBar, D0

Diverse interpretazioni possibili tra cui:

Molecola D0D0* perché decade in D0D00 e potrebbe confermare le parità previste: JP=0-,1+,2-

Stato cc-qq con interazione cromomagnetica



Y(4260)Y(4260)

E’ stata scoperta da BaBar come picco nel sottosistema J/ in ISR per cui i numeri quantici di questo stato sono JPC=1--

E’ stato osservato anche nel decadimento del mesone B± K±+-J/. Ciò ha permesso di valutare il prodotto:

B(B-K-Y(4260))B(Y(4260)+-J/)210-5

E’ stata osservata anche da Belle e CLEO che ne ha visto il decadimento in J/, J/, J/

Possibile interpretazione di questo stato: ibrido del charmonio



BaBar

CLEO

Belle


Il rivelatore di PANDAIl rivelatore di PANDA

Disegnato per lo studio della struttura degli adroni

Copertura di angolo solido totale

Gestire alti rates: 2107 annichilazione protone-antiprotone al secondo

Buona identificazione delle particelle

Buona risoluzione del momento per ,e,,,K,p


Target SpectrometerTarget Spectrometer

Impulso degli antiprotoni da 1.5 a 15 GeV/c Solenoide 2T Bersaglio: Pellet Target o Cluster jet Micro Vertex Detector Rivelatori di start e stop per il tempo di volo Tracciatore centrale: Straw Tubes/TPC DIRC Calorimetro elettromagnetico Rivelatore di muoni Camere a deriva multifilo



Forward SpectrometerForward Spectrometer

Camere a deriva multifilo/Straw tubes Dipolo: 2 Tesla·m Forward DIRC e RICH Forward Calorimetro elettromagnetico Rivelatori per il tempo di volo Calorimetro adronico



Scopo dell’analisiScopo dell’analisi

Studio del processo:

pp Y(4260) J/ +l+l- +

con J/ e+e-; J/ +-

Studio del fondo:

pp ++


Simulazione Monte Carlo di eventi: utilizzo di un generatore di eventi e di un Modello di Trasporto. Simulazione della digitalizzazione e della ricostruzione del decadimento.

Rivelatori abilitati nella simulazione: rivelatore di tracciamento (Straw Tubes), calorimetro elettromagnetico, DIRC, camere a deriva e versione preliminare del rivelatore di muoni.

La digitalizzazione e la ricostruzione sono complete per il rivelatore di vertice, per gli Straw Tubes, per il calorimetro elettromagnetico, per le camere a deriva, mentre sono semplificate per il DIRC.

SimulazioneSimulazione


Identificazione delle particelleIdentificazione delle particelle

Variabili utilizzate:

Forma dello sciame

Rapporto E/p tra l’energia depositata nel calorimetro e l’impulso della traccia misurato nella camera a deriva

Vengono utilizzati dei criteri di selezione per distinguere i pioni dagli elettroni: VeryLoose, Loose, Tight, VeryTight

In questa analisi è stato scelto il selettore VeryLoose che fornisce un’efficienza di identificazione del 90% e una probabilità di identificare un pione come un elettrone di circa il 20%.


Identificazione degli elettroniIdentificazione degli elettroni

Si utilizzano le informazioni fornite dal EMC riguardo lo sciame

Si utilizza la variabile E/p:

Ha una distribuzione piccata ad 1 per gli elettroni e assume valori minori per gli adroni e per i muoni


Elettroni

Pioni

Kaoni


Si utilizza la variabile: distribuzione laterale di energia LAT definita come:

N

iii

N

iii

rErErE

rELAT

3

202

201

2

3

2

N=numero di cristalli del calorimetro coinvolti nello sciame

Ei=energia dell’i-esimo cristallo (Ei>Ei+1)

ri=distanza tra ciascun cristallo coinvolto e l’asse dello sciame

r0=distanza media tra i due cristalli più energetici (r0=5cm)



Nel caso di sciame elettromagnetico la maggior parte del deposito di energia avviene in due cristalli->

La variabile LAT assume valori minori rispetto al caso di sciami adronici.

Si richiede 0<LAT<0.6


Elettroni

Pioni

Kaoni


Si utilizza la variabile: distribuzione laterale in termini di momenti di Zernike definita come:

n

Rr

iminm

inm

i

ieR

rf

E

EA

0 0

2/)(

0

2

0 )!2)((()!2)(((!

)!()1(mn

s

sni

si

inm smnsmns

sn

R

rf

con

Con n,m0 ed interi, n-m pari ed mn

ri=distanza tra ciascun cristallo coinvolto e l’asse dello sciame


Tale variabile serve per ricostruire la forma dello sciame prodotto dalla particella che raggiunge il calorimetro.

Le funzioni di Zernike forniscono un’espansione indipendente dall’orientazione del sistema di coordinate laterali nelle quali i è misurata.

La variabile azimutale nella distribuzione dello sciame è coinvolta solo nei momenti con m2 cioè in |A42| che è l’unico utilizzato nel selettore.

Gli sciami adronici depositano grandi quantità di energia nel calorimetro e tendono ad avere grandi valori per le variabili di distribuzione dello sciame a causa dell’irregolarità di questo.

Si richiede che –10<|A42|<0.11



Elettroni

Pioni

Kaoni

Identificazione dei muoniIdentificazione dei muoni

Il progetto sperimentale del rivelatore di muoni è ancora ad uno stadio iniziale

Si associano le informazioni raccolte dalla camera a deriva con ogni deposito di energia nel rivelatore di muoni considerando la curvatura della traiettoria causata dal campo magnetico.

Il selettore utilizzzato è il VeryLoose che fornisce una efficienza di identificazione del 90%.


Ricostruzione dei vertici di decadimentoRicostruzione dei vertici di decadimento

Al fine di misurare il quadrimpulso e la posizione della particella, che decade, si combinano le tracce dei prodotti di decadimento ricostruite dal rivelatore

La posizione in cui la particella decade viene stimata con una procedura detta vertexing

A causa della presenza del campo magnetico il problema è non lineare

Viene linearizzato cercando una soluzione locale e iterando finchè i valori del 2 del fit al vertice tra due iterazioni successive differiscono per una quantità minore di 0.01

La misura è migliorata con l’uso del fit cinematico, il cui il 2 generalizzato viene minimizzato vincolando la massa della particella alla massa nominale e imponendo le leggi di conservazione dell’energia e dell’impulso con la tecnica dei moltiplicatori di Lagrange.


AnalisiAnalisi

Studio del processo:

pp Y(4260) J/ +l+l- +

con J/ e+e-; J/ +-

con uguale probabilità (50%)

BR(J/e+e-)=(5.94±0.06)%

BR(J/(5.93±0.06)%


AnalisiAnalisi

Generati 20.000 eventi

Studio del decadimento J/l+l- :

Livello di confidenza di ricostruzione del decadimento della J/, dopo l’applicazione del fit cinematico, posto maggiore del 0.1%


Studio del decadimento J/Studio del decadimento J/ll++ll--

Primo studio:Primo studio:

Applicazione dell’algoritmo di fit “Kalman Filter” per la ricostruzione delle tracce

Selezione di eventi in cui m J/(2.5-3.5)GeV/c2

Selettore utilizzato: VeryLoose



Efficienza di ricostruzione: (49.3±0.4)%

Valor medio della massa: 3.05 Gev/c2

Risoluzione: 0.11 GeV



22

22

21

21

2

)(

2

02

)(

1

0

2

1

2)(

xxxx

eR

eR

xG


Studio del decadimento J/Studio del decadimento J/ee++ee--





Studio del decadimento J/Studio del decadimento J/++--






Secondo studio:Secondo studio:

Applicazione dell’algoritmo di fit “Kalman Filter” per la ricostruzione delle tracce.

Applicazione del “Beam Constraint” sul decadimento totale

Selezione di eventi in cui m J/(2.5-3.5)GeV/c2

Selettore utilizzato: VeryLoose

E’ atteso un miglioramento della risoluzione



Fit con una gaussiana


Studio del decadimento J/Studio del decadimento J/ee++ee--





Studio del decadimento J/Studio del decadimento J/++--





Distribuzione angolare del decadimento J/Distribuzione angolare del decadimento J/ll++ll--

La distribuzione angolare di tale decadimento è data da:

1+cos2

Con è l’angolo tra l’impulso del leptone e quello dell’antiprotone nel sistema della Y(4260)

Si è scelto =0.71±0.23 dai risultati di E835 del 2003


Studio del decadimento ppStudio del decadimento ppJ/J/++--

Selettore utilizzato

VeryLoose

Applicazione del

Kalman Filter





Studio del processo ppStudio del processo ppJ/J/++--

Fit con una doppia gaussiana


Studio della massa invariante Studio della massa invariante ++--

Poiché la Y(4260) ha gli stessi numeri quantici della (2S) si è scelto di utilizzare come distribuzione della massa invariante +- quella prevista dal decadimento della (2S) nello stesso stato finale

22)(

mmPSdm

d

2

'

2'

222'

2244'

422

4

2(24

M

MMmMmMmMMmmPS

=4 dal fit dei dati ottenuto a E760


Studio della massa invariante Studio della massa invariante ++--


Studio del fondo Studio del fondo

Il fondo principale studiato è:

pp ++

dove due pioni possono essere identificati come elettroni o come muoni e la loro energia sia tale per cui viene ricostruita erroneamente una J/

Sono stati generati 500.000 eventi e sono stati applicati gli stessi criteri di selezione utilizzati per lo studio del segnale.


Studio del fondoStudio del fondo

Si assume che:

Il valore della sezione d’urto di fondo è pari a 0.046 mbarn

Come valore della sezione d’urto di segnale è stato utilizzato quello del decadimento della (2S) nello stesso stato finale. E’ stata misurata al Fermilab e per J/e+e- vale 10 nb. Se J/l+l- vale 20 nb.

Il rapporto segnale/rumore è stato stimato utilizzando la formula:

ppN

NYpp

N

S

g

e

)4260( con Ne=numero di Y(4260) ricostruite erroneamente

Ng=500.000


Studio del fondo Studio del fondo

Si sono valutati due casi:

La J/ decade solo nel canale elettronico

in tal caso il numero di Y(4260) ricostruite è pari a 6±2

La J/ decade sia nel canale elettronico che in quello muonico

in tal caso il numero di Y(4260) ricostruite è pari a 50±7

Il rapporto segnale/rumore nei due casi vale:

18.2±7.4

2.2±0.3


Conclusioni e sviluppi futuriConclusioni e sviluppi futuri

• Si possiedono gli strumenti necessari per effettuare simulazioni dei canali di fisica

• Il canale considerato è ricostruibile con buona efficienza

• Analizzando il fondo, si può osservare che il canale considerato risulta identificabile con buona probabilità

• Ulteriori sviluppi futuri riguardano il miglioramento del software riguardante il rivelatore di muoni

• Studio approfondito della risonanza Y(4260) effettuando uno scan a diverse energie nel centro di massa


Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 1/50 STUDIO DEL PROCESSO pp Y(4260) J/ + l +...

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