Ricerca di conversione direa di muone in elerone con l...
1
Ricerca di conversione dire-a di muone in ele-rone con l’esperimento Mu2e Stefano Misce- | Email: [email protected] Raffaella Donghia | Email: raff[email protected] Conversione coerente di muone in ele-rone La conversione di muone in ele-rone nel campo di un nucleo atomico è descri-a dalla cinema;ca di un decadimento a due corpi. Il segnale dis;n;vo è rappresentato da un singolo ele-rone monoenerge;co emesso con energia leggermente inferiore della massa a riposo del muone E e ~104.96 MeV. Su alluminio la vita media è τ=864 ns. Il tracciatore Il tracciatore è composto da ~20000 straw driL tubes organizza; in 18 stazioni ruotate l’una rispe-o all’altra di 60°. Perme-e di studiare la curvatura delle tracce ricostruendo così l’impulso delle par;celle cariche. I fori centrali garan;scano che soltanto par;celle con impulso > 95 MeV possano essere ricostruite. Per o-enere la risoluzione in momento necessaria (150 keV/c) lo spessore degli straws è di soli 15 μm. Il calorimetro ele-romagne;co Il calorimetro ele-romagne;co è cos;tuito da due dischi, ognuno composto di ~ 700 cristalli di ioduro di cesio pure (CsI) le[ da due fotomol;plicatori al silicio (SiPM). La distanza tra i due dischi corrisponde a mezza lunghezza d’onda degli ele-roni di conversione per o[mizzare la loro probabilità di osservazione. Il calorimetro, ricostruendo l’energia e il tempo, è fondamentale per l’iden;ficazione delle par;celle e coopera con il tracciatore nella ricostruzione delle tracce. Garan;sce una risoluzione energe;ca (temporale) di ~5% (< 500 ps) a 100 MeV I muoni provenien; da raggi cosmici rappresentano una dei fondi principali per Mu2e in quanto possono simulare segnali ;po ele-roni da 105 MeV interagendo con l’apparato o decadendo in volo. La parte finale del TS e l’intero DS sono circonda; dal sistema di veto cos;tuito da stra; di scin;llatori plas;ci e assorbitori in alluminio con efficienza ε=99.99 % Cosmic Ray Veto 1.4m 3m Nel 2015 è iniziata la fase di costruzione dell’esperimento Mu2e. Anche i rivelatori hanno completato la fase di pre-produzione e, da qualche mese, è iniziata quella di produzione. Al gruppo Italiano/INFN è stata affidata la proge-azione del calorimetro a cristalli. La ricerca e sviluppo di questo rivelatore sono sta; guida; dal gruppo dei LNF, dove sono state testate diverse opzioni di cristalli e fotosensori prima di arrivare all’a-uale disegno. A-ualmente si sta svolgendo presso il Fermilab la fase di controllo qualità di ogni singolo componente del calorimetro. L’obie[vo è quello di completare l’istallazione del rivelatore nella sala sperimentale di Mu2e nell’estate del 2020. Si aspe-a di prendere da; con il fascio di muoni in maniera con;nua;va per almeno 3 anni a par;re dal 2021. A[vità presso Laboratori Nazionali di Frasca; Mu2e si propone di raggiungere un rate di conversione R μe < 6 x10 -17 (@ 90 C.L.) valutato come il rapporto tra il rate di conversione di muone in ele-rone e quello di ca-ura muonica: Questo limite corrisponde ad una Single Event Sensi;vity (SES) di 2.77 x10 -17 . Per discriminare gli ele:roni di conversione (CE) da un ele:rone proveniente dal decadimento in orbita (DIO) di un muone è necessaria un’eccellente risoluzione in momento(150 KeV/c). La simulazione completa mostra lo spe-ro in momento ricostruito per gli even; di DIO e CE perme-endo di o[mizzare la regione di selezione del segnale che risulta estendersi da 103.5 MeV/c fino a 104.7 MeV/c R μe = N (μ - + N (Z, A) ! e - + N (Z, A)) μ - + N (Z, A) ! ⌫ μ + N (Z - 1,A) Obie[vi dell’esperimento e sensibilita’ sperimentale Introduzione L’esperimento Mu2e al Fermilab ricerca la conversione coerente di muone in ele-rone nel campo ele-rico di un nucleo. Si tra-a di un esempio di violazione della conservazione del numero leptonico nel se-ore dei leptoni carichi (CLFV) mai osservato sperimentalmente. L’eventuale osservazione di un processo di CLFV rappresenta un chiaro segnale di fisica oltre il Modello Standard. L’esperimento Mu2e, in fase di costruzione, è stato proge-ato per migliorare di 4 ordini di grandezza l’a-uale sensibilità sperimentale. CLFV- Charged Lepton Flavor Viola;on Secondo il Modello Standard (SM) fenomeni di CLFV possono emergere tramite l’oscillazione dei neutrini, ma con rate che sono trascurabili (~10 -54 ). Esistono modelli alterna;vi allo SM in cui tali fenomeni hanno branching ra;o che sono osservabili da esperimen; di ul;ma generazione ( MEG_upgrade, Mu3e, Mu2e/Comet) Setup sperimentale L’apparato sperimentale è organizzato in tre magne; solenoidali supercondu-ori: PS – solenoide di produzione: Il fascio di protoni da 8 GeV incide su un bersaglio di tungsteno eme-endo prevalentemente pioni. Il campo a gradiente assicura che le par;celle cariche si dirigano verso il secondo solenoide. TS – solenoide di trasporto: Cara-erizzato dalla forma ad S che perme-e di eliminare il trasporto di par;celle neutre. In questo tra-o dell’esperimento i pioni decadono prevalentemente in muoni. La presenza di collimatori garan;sce una selezione di muoni nega;vi di bassa energia. DS – solenoide di rivelazione: Vi si trova un bersaglio, cos;tuito da 17 fogli di alluminio, su cui incide il fascio di basse energia (p < 100 MeV/c) di muoni nega;vi ad al;ssima intensità 10 GHz. In questa regione sono presen; i rivelatori che perme-ono l’osservazione degli ele-roni di conversione: un tracciatore, che ne misura l’impulso, e un calorimetro ele-romagne;co, che ne misura il tempo e l’energia. L’intera regione è circondata da un sistema di veto per raggi cosmici. PS TS DS L’acceleratore del Fermilab trasporterà con il Delivery Ring un fascio di protoni da 8 GeV sul nostro bersaglio di produzione per un totale di 10 20 POT in 3 anni di presa da;. Per ridurre il contributo dei fondi di ;po prompt (ca-ura pionica e muonica radia;va) il fascio verrà prodo-o in maniera impulsata con pacche[ separa; da ~1.7 μs. L’acquisizione dell’esperimento inizierà ~700 ns dopo l’arrivo del fascio per perme-ere di es;nguere i segnali veloci mantenendo un’alta acce-anza per i CE (τ = 864 ns). Per evitare segnali spuri da protoni prodo[ fuori tempo si richiede un’es;nzione di 10 10 per tu-e le par;celle fuori dal pacche-o. Il fascio di muoni del Muon Campus Loop Termine di conta:o A differenza di altri esperimen; Mu2e è in grado di osservare processi descri[ sia da termini di loop sia da termini di conta-o. In caso di osservazione di un segnale, il paragone con gli altri esperimen; CLFV aiuterebbe a selezionare tra diversi modelli di fisica oltre il modello standard. Sensibilità alla CLFV Mu2e
Transcript of Ricerca di conversione direa di muone in elerone con l...
Ricercadiconversionedire-adimuoneinele-roneconl’esperimentoMu2e
StefanoMisce-|Email:[email protected]|Email:[email protected]
Conversionecoerentedimuoneinele-roneLa conversione di muone in ele-rone nel campo di un nucleoatomico è descri-a dalla cinema;ca di un decadimento a duecorpi.Il segnale dis;n;vo è rappresentato da un singolo ele-ronemonoenerge;coemessoconenergialeggermenteinferioredellamassa a riposo delmuone Ee~104.96MeV. Su alluminio la vitamediaèτ=864ns.
Iltracciatore
Iltracciatoreècompostoda~20000strawdriLtubesorganizza;in18stazioni ruotate l’una rispe-oall’altra di 60°. Perme-edi studiare lacurvatura delle tracce ricostruendo così l’impulso delle par;cellecariche.Iforicentraligaran;scanochesoltantopar;celleconimpulso> 95MeV possano essere ricostruite. Per o-enere la risoluzione inmomentonecessaria (150keV/c) lo spessoredegli strawsèdi soli15μm.
Ilcalorimetroele-romagne;co
Il calorimetro ele-romagne;co è cos;tuito daduedischi,ognunocompostodi~700cristallidiioduro di cesio pure (CsI) le[ da duefotomol;plicatorialsilicio(SiPM).La distanza tra i due dischi corrisponde amezzalunghezza d’onda degli ele-roni di conversionepero[mizzarelaloroprobabilitàdiosservazione.
Il calorimetro, ricostruendo l’energia e il tempo, è fondamentale per l’iden;ficazionedelle par;celle e coopera con il tracciatore nella ricostruzione delle tracce.Garan;sceunarisoluzioneenerge;ca(temporale)di~5%(<500ps)a100MeV
Imuoniprovenien;daraggicosmicirappresentanounadeifondi principali per Mu2e in quanto possono simularesegnali ;po ele-roni da 105 MeV interagendo conl’apparato o decadendo in volo. La parte finale del TS el’interoDSsonocirconda;dalsistemadivetocos;tuitodastra; di scin;llatori plas;ci e assorbitori in alluminio conefficienzaε=99.99%
CosmicRayVeto
1.4m
3m
Nel 2015 è iniziata la fase di costruzione dell’esperimentoMu2e. Anche i rivelatori hanno completato la fase di pre-produzione e, da qualchemese, è iniziata quella di produzione. Al gruppo Italiano/INFN è stata affidata laproge-azionedelcalorimetroacristalli.Laricercaesviluppodiquestorivelatoresonosta;guida;dalgruppodeiLNF,dovesonostatetestatediverseopzionidicristalliefotosensoriprimadiarrivareall’a-ualedisegno.A-ualmentesistasvolgendopressoilFermilablafasedicontrolloqualitàdiognisingolocomponentedelcalorimetro.L’obie[voèquellodicompletarel’istallazionedelrivelatorenellasalasperimentalediMu2enell’estatedel2020.Siaspe-adiprendereda;conilfasciodimuoniinmanieracon;nua;vaperalmeno3anniapar;redal2021.
A[vitàpressoLaboratoriNazionalidiFrasca;
Mu2esiproponediraggiungereunratediconversioneRμe<6x10-17(@90C.L.)valutatocomeilrapportotrailratediconversionedimuoneinele-roneequellodica-uramuonica:
QuestolimitecorrispondeadunaSingleEventSensi;vity(SES)di2.77x10-17.Perdiscriminaregliele:ronidiconversione(CE)daunele:roneprovenientedaldecadimentoinorbita(DIO)diunmuoneènecessariaun’eccellenterisoluzioneinmomento(150KeV/c).La simulazione completamostra lo spe-ro inmomento ricostruito per gli even; di DIO e CE perme-endo di o[mizzare laregionediselezionedelsegnalecherisultaestendersida103.5MeV/cfinoa104.7MeV/c
Rµe =N(µ� +N(Z,A) ! e� +N(Z,A))
µ� +N(Z,A) ! ⌫µ +N(Z � 1, A)
Obie[videll’esperimentoesensibilita’sperimentale
IntroduzioneL’esperimentoMu2ealFermilabricercalaconversionecoerentedimuoneinele-ronenelcampoele-ricodiunnucleo.Sitra-adiunesempiodiviolazionedellaconservazionedelnumeroleptoniconelse-oredeileptonicarichi(CLFV)maiosservatosperimentalmente.L’eventualeosservazionediunprocessodiCLFVrappresentaunchiarosegnaledifisicaoltreilModelloStandard.L’esperimentoMu2e,infasedicostruzione,èstatoproge-atopermiglioraredi4ordinidigrandezzal’a-ualesensibilitàsperimentale.
CLFV-ChargedLeptonFlavorViola;onSecondo il Modello Standard (SM) fenomeni di CLFV possono emergere tramitel’oscillazionedeineutrini,maconratechesonotrascurabili(~10-54).Esistonomodellialterna;vialloSMincuitalifenomenihannobranchingra;ochesonoosservabilidaesperimen;diul;magenerazione(MEG_upgrade,Mu3e,Mu2e/Comet)
SetupsperimentaleL’apparatosperimentaleèorganizzatointremagne;solenoidalisupercondu-ori:
PS–solenoidediproduzione:Il fascio di protoni da 8 GeV incide su un bersaglio ditungstenoeme-endoprevalentementepioni.Ilcampoagradiente assicura che le par;celle cariche si diriganoversoilsecondosolenoide.TS–solenoideditrasporto:Cara-erizzato dalla forma ad S che perme-e dieliminare il trasporto di par;celle neutre. In questot r a-o de l l ’ e spe r imen to i p i on i d e cadonoprevalentemente in muoni. La presenza di collimatorigaran;sce una selezione di muoni nega;vi di bassaenergia.DS–solenoidedirivelazione:Vi si trovaunbersaglio, cos;tuitoda17 foglidialluminio, sucui incide il fasciodibasseenergia (p<100MeV/c)dimuoninega;viadal;ssima intensità10GHz. Inquesta regionesonopresen; i rivelatori cheperme-onol’osservazionedegliele-ronidiconversione:untracciatore,chenemisural’impulso,euncalorimetroele-romagne;co,chenemisurailtempoel’energia.L’interaregioneècircondatadaunsistemadivetoperraggicosmici.
PS
TS
DS
L’acceleratore del Fermilab trasporterà con il Delivery Ring un fascio di protoni da 8 GeV sul nostrobersagliodiproduzioneperuntotaledi1020POTin3annidipresada;.Per ridurre il contributo dei fondi di ;po prompt (ca-ura pionica e muonica radia;va) il fascio verràprodo-o inmaniera impulsataconpacche[separa;da~1.7μs. L’acquisizionedell’esperimento inizierà~700 ns dopo l’arrivo del fascio per perme-ere di es;nguere i segnali veloci mantenendo un’altaacce-anzaperiCE(τ=864ns).Per evitare segnali spuri da protoni prodo[ fuori tempo si richiede un’es;nzione di 1010 per tu-e lepar;cellefuoridalpacche-o.
IlfasciodimuonidelMuonCampus
Loop Terminediconta:o
Adifferenza di altri esperimen;Mu2eè in gradodi osservareprocessi descri[ sia da termini di loop sia da termini diconta-o.Incasodiosservazionediunsegnale,ilparagonecongli altri esperimen; CLFV aiuterebbe a selezionare tra diversimodellidifisicaoltreilmodellostandard.
SensibilitàallaCLFV
Mu2e
