Mauro Piccini INFN Perugia Perugia – 30 Marzo 2011 Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova...

Mauro Piccini

INFN Perugia

Perugia – 30 Marzo 2011

Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre

il Modello Standard

Perugia, 30 Marzo 2011 2 Mauro Piccini – INFN Perugia

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++– NA62 fase I: la misura di RK = 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

'

'

'

ub

cb

td

ud us

cd cs

ts tb

V

V

V V

d d

s s

b b

V

V

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 Violazione del sapore (angolo di Cabibbo, GIM)

• Con 3 (o più) famiglie di quark: Violazione di CP nello SM

Imponendo l’unitarietà della matrice CKM:

Nf =2 Nfasi= 0 No Violazione di CP

Nf =3 Nfasi= 1 Violazione di CP possibile

C= operatore carica, inverte la carica dello statoP= operatore parità, inverte le coordinate spaziali


Violazione diretta di CPL’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 2per conservare CP(vita media corta)

Decade in 3 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 2

__ _


NA48

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

Misura delle lunghezze di scattering

Violazione diretta di CP nei decadimenti dei K neutri

Re(’/) = (14.7 ± 2.2) x 10-4

Misura di parametri di Violazione di CP

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

KS 0e+e- e KS 0+-

NA48/1

NA48/2

NA48


Decadimenti rari di KDecadimenti rari di KLe 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:Vus ~ Vcb ~ Vub ~ iVtd ~

i

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

VudV*ub + VcdV*cb + VtdV*tb = 0

CP

Vtd V *

tb

Vud

V* ub

VcdV*cb

Sensitive to |Vtd |

KL →π0μ+μ–

t = Vtd V*ts

Im t = 2 5 Re t = 2 5

Golden modes

Il decadimento Il decadimento KK++++

BR(K++) (1.6×10-5)|Vcb|4[2+(c-)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+0e) - 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: Minimal Flavour Violation (MFV) Minimal Supersymmetric extension of SM (MSSM) Light Higgs Theory (LHT)

_

Stato dell’arteStato 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+ → + ) = (1.73+1.15-1.05)× 10-10

Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 191802

_ Compatibile con lo SM

L’esperimento NA62L’esperimento NA62


Collaborazione NA62Collaborazione NA62Bern 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 rivelatoreSchema 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 misuraTecnica 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: BRBRSMSM=8x10=8x10-11-11

Potenzialmente alta contaminazione da altri decadimenti di K

Punti chiave:1. Reiezione cinematica2. Veto 3. Trigger ad alte prestazioni4. Identificazione delle particelle (PID)

Reiezione cinematica /IReiezione cinematica /I


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 multiploscattering multiplo

P

P

KKP

P

2222 11 KKK

KKmiss PP

P

Pm

P

Pmm

92% del fondo cinematicamente separabile dal segnale

Reiezione cinematica /IIReiezione cinematica /II


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

Rivelatore sottile→200 m di spessore per i pixel e 100 m 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


Reiezione cinematica /IIIReiezione cinematica /IIISpettrometro magnetico funzionante in vuoto per ridurre lo scattering multiplo

4 camere con 4 viste (piani di tubi) (ridondanza)

Magnete Ptkick = 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 (P(P)/P)/P~ ~

0.3%0.3%0.007%*P0.007%*P(GeV/c)(GeV/c)

(dX/dZ)/(dX/dZ)~ 45-15 (dX/dZ)/(dX/dZ)~ 45-15 rad rad


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 PIDRichieste 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 : 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)

Read-out completamente nuovo con ADC a 14 bits 40 MHzLe 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 Veto ad angoli intermedi


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

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 fascioPID dei K del fascioScopo: 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 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


LKrMUV 1-2

MUV 3

Identificazione di Identificazione di Dopo il calorimetro elettromagnetico ci sono dei blocchi di ferro ai quali sopravvivono solo i MUV1-2: Identificano il muone e contribuiscono alla reizione di decadimenti con nelo stato finale (assieme al RICH)

MUV3: Identificazione veloce dei 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


Trigger e acquisizione datiTrigger e acquisizione dati• L0L0: Trigger hardware, scelta basata su segnali veloci prodotti dai sistemi di lettura• L1L1: Trigger software basato sulle informazioni provenienti da singoli rivelatori(più dettagli, migliori risoluzioni)• L2L2: Trigger Software basato sui dati di tutti i rivelatori (informazioni correlate)

PC PCPC PCL0 triggerTrigger primitives

DataCDR

O(KHz) EB

GigaEth SWITCH

PC PC PCPCPC PC PC PCPCPCPCPCPC PC

L2L1

RICH MUV CEDAR LKRSTRAWS LAV

L0TP

L01 MHz1 MHz1 MHz

10 MHz

PC PC PC PC PC PC


NA62: proiezioniNA62: 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 0 a livello di 2·108

Accettanza per il segnale O(10%) Assunzione: 100% efficienza di trigger


NA62 fase I

RK e SUSY:Masiero, Paradisi, Petronzio (hep-ph/0511289 PRD74,2006)

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

RKSUSY = RK

SM · (1+RSUSY) con |RSUSY| ~ 2-3%

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

Predizione accurata del Modello Standard:

RK =

= (2.477 ± 0.001) 10-5

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

QED

K

eKee Rmm

mm

m

m

K

eK

1

2

22

22

2

2

Definizione di RK=Γ(K± →e± ν) / Γ(K± →μ± ν)

Misura con parte dei dati raccolti nel 2007 ad hoc:

Phys.Lett.B698:105-114,2011In accordo con lo SM


Il RICH di NA62Il RICH di NA62Per ridurre il fondo del decadimento K+ +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 (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 funzionamentoPrincipio di funzionamentoIl 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.


Mirror Mosaic

17 m focal length

Beam Pipe

2 x ~1000 PMT

Vessel:

~18 m long,

~3.7 m diameter

Beam

SchemaSchema

Filled with Neon


Mezzo radiatore: Neon a pressione atmosferica (n-1) = 62.8 x10-6 a =300 nm (bassa dispersione)

basso peso atomico X0 piccola riduzione dello scattering multiplo

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

Specchi: Forma esagonale 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

Caratteristiche del RICH Caratteristiche del RICH


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


Risultati del test 2009Risultati del test 2009Illuminazione PM @15 GeV

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

“”

e@15 GeV

@35 GeV

Raggio anello

Fattore di soppressione integrato per : ~0.7%

Risoluzione temporale


Attività recenti sul RICHAttività recenti sul RICHI 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 - 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 NeonPM immersi nel NeonConfigurazione 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 separatoreIl separatoreEssenziale 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


RisultatiRisultati

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

Camera contenimento del laser

Flangia PM

Distributore HVPreamplificatoriDiscriminatori

Generatore del clock

PC di acquisizioneTDCScheda gestione dati

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/TEL62TELL1/TEL62

Carte con TDC

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

E’ il cuore del sistema di lettura e di trigger

CPU (linux SLC4)

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

TEL62TEL62

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!

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