Test delluniversalità e- nei decadimenti K ± l ± : misura del rapporto R K = (K e2 )/ (K 2 ) in...

Test dell’universalità e- nei decadimenti K± → l±: misura del

rapporto RK = (Ke2)/(K2) in NA62

Test dell’universalità e- nei decadimenti K± → l±: misura del

rapporto RK = (Ke2)/(K2) in NA62

Giuseppina AnzivinoUniversità di Perugia e INFN

Bologna 24 aprile 2008Bologna 24 aprile 2008

Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK2

Argomenti

Breve storia di NA48/NA62 Universalità e-: premesse teoriche RK e fisica oltre il Modello Standard Situazione sperimentale NA48/2 – risultati dati 2003-2004 NA62 - run dedicato nel 2007 Stato dell’analisi Futuro: misura di K+→ Conclusioni


NA48

Ricerca di violazione diretta di CP nei decadimenti K±→ 3 misura delle lunghezze di scattering

NA48

NA48/1

NA48/2

Violazione diretta di CP nei decadimenti dei K neutri Re(’/) = (14.7 ± 2.2) x 10-4

Misura del parametro |+-|

Decadimenti rari del KS

prima osservazione e misura del BR di KS 0e+e- e KS 0+-


NA48 NA62

NA62 fase I

dati 2003-2004run dedicato 2007

NA62 fase II

proposta 20052008-2010 R&D

+ costruzione2011 presa dati

Test di precisione dell’universalitàleptonica attaverso la misura del rapporto

K

eKR e

K

Misura del decadimento rarissimo,processo FCNC e sensibile a NP

K

NA48/3 P326 NA62


Test di universalità leptonica con NA48/2 e NA62


Universalità leptonica

Decadimento puramente leptonico

W e

e

W

eg g

004.0001.1/ egg

Analogamente per

003.0999.0/ gg

Universalità valida anche per Z0 e+e-, +-, +-


I mesoni K e

K±→l±

±→l±ideali per test di SM

e ricerca di nuova fisica

MAlimitazioni dovute alle incertezze teoriche

(a livello del percento) in particolare incertezze su quantità non perturbative, per esempio le

costanti di decadimento f e fK

non direttamente utilizzabili per ottenere constraints su NP

I decadimenti leptonici dei mesoni pseudoscalari leggeri


Il rapporto RK

Tuttavia le incertezze adroniche si cancellano nei rapporti

K

eKR e

K

eeR

le predizioni dello Standard Model per R e RK sono note con grande precisione

diventa possibile il confronto con i risultati sperimentali precisi

La misura di RK è il modo più promettente per rivelare effetti di deviazione dalla universalità -e in questi decadimenti


RK nello Standard Model

5

2

22

22

2

2

10001.0477.21

QEDK

eKeeK R

mm

mm

m

m

K

eKR

[V. Cirigliano and I Rosell, JHEP 0710:005 (2007)]

Ke2 soppresso a causa dell’elicità

include solo IB e non DE

correzioni radiative

(Kl2 e fotoni virtuali)

δRK = -3.8% RK/RK ~ 0.04%

RK è soppresso per elicità a causa della struttura V-A dell’accoppiamento a corrente carica

SM

ChPT, O(e2p4)


Correzioni radiative

RK predetto dallo SM include l’Inner Bremsstrahlung (IB) non include la Direct Emission (DE) (termine dipendente dalla struttura (SD)

trascurabile in K2, grande in Ke2

gli esperimenti misurano Ke2()/K2() inclusivo e sottraggono SD

effetti sull’accettanza

trattamento delle correzioni radiative importante

IB SD


RK oltre lo SM

In un articolo recente è stato mostrato che: effetti di SUSY (MSSM) possono modificare il valore di RK previsto

dallo SM a livello del percento (fino a 3% in alcune configurazioni)

R-parity è la sorgente di nuova fisica da testare con RK

questi contributi in SUSY derivano da effetti di LFV e non LFCA. Masiero, P. Paradisi, R. Petronzio, hep-ph/0511289 PRD74 (2006)

Contributo dominante a RK di LFV dovuto a SUSY deriva da scambio di Higgs carichi

,tan

2232 el

M

mglH l

RW

Accoppiamenti effettivi di Yukawa LFV

31 è il termine LFV connesso alla soppressione di elicità del Ke2, 32

trasc.


RK in SUSY

• Contributo da diagrammi con loop • Contributi LFC sono soppressi (~ (tanβ)2), termini LFV (~ (tanβ)6)

• Alti valori di tanβ -> RKLFV grande

62

312

2

4

4

tan1eH

KSMK

LFVK m

m

m

mRR

Es.: se tanβ=40 e MH=500 GeV

RKLFV = RK

SM (1 + 0.013)K golden modes per test di LFV

Il limite per LFV in Ke2 si converte in limite su 13=13(mH±,tan)


Paragone con B± ±

B

possibili transizioni via H±

2

0

2

2

2

tan1

tan1

H

B

SM

SUSY

M

m

BR

BR

Per valori di 31 non troppo piccoli

Sensitività a H± in Ke2/K2

migliore rispetto a B

dipendenza da M (H±) e tan (Isidori, Paradisi PLB 639(2006)) LFV non richiesto no 13

0 ~ 0.01)


Situazione sperimentale

Situazione sperimentale prima dei risultati di

NA48/2 abbastanza scarsa

valore del PDG basato su 3 esperimenti degli anni ’70

effettuati con K a riposo

Errore sperimentale maggiore di due ordini di grandezza rispetto alla incertezza teorica

%5.4/1011.045.2 5 KK

PDGK RRR


Misure di NA48/2

Dati 2003 1 mese di presa datitrigger: 1 traccia + energia EM + cinematica4K Ke2 candidati raccolti

sistematica non riducibile a causa della inefficienza di trigger ~ 15 %

Dati 2004 56 ore di presa datitrigger lasco: 1 traccia + energia EM4K Ke2 candidati raccolti

sistematica non riducibile a causa del fondo di K2 nel sample di Ke2


Il rivelatore di NA48Componenti principali: Spettrometro magnetico (4 DCHs): 4 viste: ridondanza efficienza σ(p)/p 1.0% + 0.044% p [GeV/c]

Odoscopio: trigger veloce e misura precisa del tempo (150ps)

Calorimetro e.m. a Liquid Krypton: 10 m3 (~22 t), 1.25 m (27 X0), 13212 celle granularità 2x2 cm2, quasi omogeneo σ(E)/E = 3.2%/√E + 9%/E + 0.42% [GeV]

Calorimetro adronico, contatori di veto e contatori di muoni


Rivelatore


I fasci simultanei di K+/K- Disegnato per la ricerca di violazione di CP nei decadimenti K±3

Fasci di K+ e K- simultanei e quasi collineari di energia 60 GeV (K+/K- ~1.8)


Strategia della misura

)()()(

)()()(1

)()(

)()(

222

222

22

22

ePIDeTRe

PIDTR

BG

eBGeK KKKAcc

KKKAcc

DKNKN

KNKNR

N(Kl2) = numero di eventi selezionatiNBG(Kl2) = numero eventi di fondo

Acc(Kl2) = accettanza geometrica

TR(Kl2) = efficienza del trigger

PID(Kl2 )= efficienza della selezioneD = downscaling del trigger• Eventi Ke2 e Kμ2 raccolti contemporaneamente

rapporto indipendente dal flusso.• Cancellazione di alcune sistematiche nel rapporto• Il contributo dominante all’errore, la sottrazione

del fondo, dipende dalla statistica


Selezione degli eventi

Geometria topologia a 1 traccia 15 < p < 50 GeV/c vertice nella regione di decadimento accettanza geometrica

Particle ID (E/p) e (E/p > 0.95) (E/p < 0.2)

Cinematica decadimento a 2 corpi Mmiss

2 = (pK-pl)2

-0.015 < Mmiss2 < 0.015

Cinematica simile per Ke2 e K2 massimizzare i tagli comuni

K2


Background/1

La sorgente principale di incertezza è legata alla sottrazione del fondo

Ke2 e K2 cinematicamente indistinguibili ad alto impulso Il può subire, con una probabilità di ~ 5x10-6, una perdita catastrofica di energia nel LKr E/p 1 simulando un elettrone questo fondo è misurato dai dati in bin di impulso 14 % fondo da K±0e± ottenuto da MC fondo da K±±0 trascurabile per K2

Fondo dominate per Ke2 è dovuto al

K2

dati MC

run 2003-2004pK = 60 GeV, pkick = 120 MeV/c


Background/2pt e ptrack sono legate da una relazione ellittica correlata alla mmiss

2

e

tKeK

K

Kmiss p

pppp

p

mem

222

Ke2 selezionati con taglio nella regione fiduciale a 3 dalla media

analogamente per K2


Risultati runs 2003 e 2004• Dati 2003

sample finale (4670 ± 77stat) eventi Ke2

errore sistematico dominato dal trigger

• Dati 2004

sample finale (3407 ± 63stat ) eventi Ke2

errore sistematico dominato dalla sottrazione del fondo k2

RK 2.416 0.0430.024 10 5

RK 2.455 0.045 0.041 10 5

preliminariKLOE: ~ 8K eventi nel 2007, precisione 2.7%, target ~ 1%

51005.005.055.2 KR[arXiv:0707.4623]

RK/RK ~ 2%


Flavianet fit per RK

RK 2.457 0.032 10 5 2 /ndf 2.44 /3

Il gruppo Flavianet ha eseguito un fit di RK, combinando i risultati delPDG 2006 con i risultati preliminari di NA48/2 e di KLOE

grande improvement wrt PDG ora RK/RK ~ 1.3 % accordo perfetto con lo SM


NA48/3 P326 NA62

NA48/2 poteva migliorare l’incertezza dal 2% allo 0.5%

con l’apparato esistente

Proposta presentata in febbraio 2007 al SPSC e al Research Board approvata

fase I misura di RK e test di prototipi per la fase II

fase II misura del decadimento K+ +4 mesi di presa dati (escluso i periodi per i

test)Goal raccogliere ~ 1 105 eventi Ke2

Nasce Nasce NA62NA62Nasce Nasce NA62NA62


Riduzione della sistematica

Nuovo fascio e nuova configurazione dello spettrometro

impulso del K: (60 ± 3) GeV/c (75.0 ± 2.5) GeV/c Fascio di soli K+ usato per la maggior parte del run

fondo dell’alone del fascio ridotto da 20% a 1%

Ottimizzazione della risoluzione in massa mancante

Misura precisa del fondo di K2 e della probabilità di mis- identificazione dell’elettrone

Trigger di minimum bias (come per il run 2004)

Sorgente principale fondo da K2


Fondo K2 - cinematica

Identificazione dei candidati Kl2 con

la cinematica Mmiss2 (assunzione me)

ottimizzazione della risoluzione in massa mancante

Mmiss2 (l) = (pK-pl)

2

pK fasci a banda stretta

pK/pK 2% vs 3% nel 03-04

pl momentum kick del magnete 120 MeV/c 263 MeV/c p/p = 0.47%+0.020p (p in GeV)

p < 40 GeV/c ~ 43% eventi

Fondo atteso da K2 nella regione di analisi ~ 7%


Fondo K2 – E/p

identificazione dell’elettrone basata sull’energia nel LKr 0.95 < ELKr/ptr < 1.05

P(e) ~ 10-6, dipendente da p(in accordo con la sezione d’urto di bremmstrahlung)

K2 costituiscono il fondo maggiore per gli eventi Ke2

p > 40 GeV/c

Mauna frazione di muoni subisce una perdita di energia “catastrofica” nel calorimetro e.m.

mis-identified come elettroni

~ 57% eventi


Misura P(e)Misura diretta

Muro di piombo posizionato su parte dell’accettanza (tra i due piani dell’odoscopio )

tracce che attraversano il muro + 1 MIP nell’odoscopio

sample di puri

sample raccolti:1) da K2, durante la presa dati2) con run speciali di soli

• spessore Pb(4.5 cm) + Fe (2.0 cm) 9X0

• larghezza 240 cm = diametro odoscopio• altezza 18 cm = 3 contatori

• Perdita del 18% in accettanza• e sono fermati (passano solo i )• Si misura la distribuzione di E/p

per i nel LKr• Installato per 50% tempo di run

e


TriggerContinui miglioramenti durante la presa dati in modo da migliorare la purezza del trigger Ke2:

1) introduzione della condizione sulla molteplicità nelle camere a drift (1TRK)2) ottimizzazione del downscaling3) ottimizzazione dello steering dei fasci4) smontaggio del muro di piombo

TriggerCondition Rates/SPS spill Purity

Start-up End-of-run Start-up End-of-run Start-up End-of-run

Ke2 Q1ELKr Q1ELKr1TRK 0.23 0.54 0.610–5 1.310–5

K2 Q1/50 Q11TRK/150 290 160 1.8% 1.8%

trigger K2 usato anche per monitorare il trigger Ke2

vari trigger di controllo acquisiti inefficienze ~ 0.1%, misurate direttamente


Dati raccoltiPresa dati: dal 23 giugno al 22 ottobre2007

112 K eventi selezionati, fondo < 10%, errore statistico ~ 0.3%


Stategia di analisi

Analisi 2007 analoga 2003-2004

candidati Ke2 e K2 raccolti simultaneamente cancellazione di alcuni effetti sistematici (p.e. parte della ricostruzione, efficienze di trigger)MC usato limitatamente: solo accettanza geometrica

Missing mass squared, (GeV/c2)2

Ke2 candidates: Mmiss2(e)

K2 candidates: Mmiss2()

Express analysis:~3% of the 2007 K+ sample

K2

background

RK misurato in bin di impulso della traccia corretto per

accettanza geometrica efficienza di trigger e efficienza di particle ID


Background/1

Fondo principale

1) decadimento K2: stimato (7.4 ± 0.2)% dalla misura di P(e)

2) alone del fascio: stimato (1.3 ± 0.1)% usando runs con il fascio senza K+ Può essere ridotto con tagli più stretti sulla qualità del vertice

Altri fondi

1) Ke2(SD): stimato (0.7 ± 0.1)%

2) Ke3: stimato < 1%;

3) K++0 no evidence at 1% level

sample Ke2

sample K2

1) alone del fascio ~ 0.1% 2) K++0 < 0.5%

p, GeV/c

P(e) from the run


Background/2

3 settimane di fascio per studi di sistematica settembre 2008

Background subtracted

Raw Ke2 candidates


Risultati attesi

Precisione attesa su Ke2/K2

statistica ~ 0.3 % totale ~ 0.5 %


Sommario RK

I decadimenti Kl2 forniscono un’ottima opportunità per effettuare test di fisica oltre lo SM, in particolare RK

Nell’ambito di SUSY, si aspetta LFV fino al 3% Presentati i risultati preliminari 2003 e 2004 Presentato l’esperimento NA62, la presa dati e lo stato attuale dell’analisi Errore statistico atteso ~ 0.3%, errore totale su RK ~ 0.5%

Questa misura o troverà deviazione dal valore atteso dello SMo fornirà dei limiti molto stringenti nei parametri di SUSY


Misura del BR(K+ +)


NA62

Proposta presentata al SPSC del CERN in settembre 2005 R&D sostenuta dal Research Board del CERN in dicembre 2005 Costruzione dei prototipi e test beam 2007 al CERN e LNF La fase di R&D sarà completata nel 2008 (tests in ottobre) Costruzione, installazione e test nel 2008-2010 Inizio presa dati nel 2011 In attesa di approvazione formale definitiva……..

Birmingham, CERN, Dubna, Fairfax, Ferrara, Firenze, Frascati, Mainz, Merced, Mosca, Napoli, Perugia, Pisa,

Protvino, Roma, Saclay, San Luis Potosi, Stanford, Sofia, Triumf, Torino

CERN-SPSC-2005-013 SPSC-P-326

Sviluppo temporale

NA62NA62


Motivazioni di fisica

processi FCNC che avvengono attraverso diagrammi a loop sensibili a Vtd

Incertezze teoriche molto piccole: i contributi a corta distanza dominano, gli elementi di matrice adronici possono essere estratti da quantità misurate (Ke3).

golden modes test dello SM e del mixing dei quarks (unitarietà CKM) sondare effetti di NP

• Minimal Flavour Violation • nuove sorgenti di rottura della simmetria di sapore (~TeV)

decadimenti K → KL→0K+→+

KL→0e+ e-

KL→0+ -


State-of-the-art

Predizioni SM (incertezze dagli elementi della matrice CKM): BR(K++) (1.6×10-5)|Vcb|4[2+(c-)2] (8.0 ± 1.1)×10-11

BR(KL0) (7.6×10-5)|Vcb|42 (3.0 ± 0.6)×10-11

Misura esistente: BR(K++) (E787/949 @BNL) (1.47 ) × 10-10 (3 eventi)

Misura recente: BR(KL00)

(E391a @ KEK) < 6.7 × 10-8 (90%CL)

KL 0

K+ +Vud V*ub + Vcd V*cb + Vtd V*tb = 0

compatibile SM

+1.30-0.89


Limiti attuali

100 eventsMean=SM

100 eventsMean=E787/949

Misura di E787/949 Limiti attuali nel piano


Sensitività a K++

Dalle misure di E787/949 e di E391a


Cinematica

BR(SM) = 8×10-11

Accettanza segnale 10% Decadimenti di K ~ 1013

Tecnica del decadimento in volo del K Fascio intenso di protoni dal SPS K di alta energia (PK = 75 GeV/c) Contatore Cerenkov per

identificazione del K (CEDAR)

impulso del K: tracciatore di fascio impulso del : Spettrometro

Calorimetro per rivelare /m RICH (separazione ) Spettrometro per eliminare

le particelle cariche

KK+

m2miss=(PKP)2

Basso livello di fondo~100 eventi K+

NA62 – linee guida

Contatori di veto Identificazione di particelle


Cinematica e fondi

92% dei decadimenti del K

kinematically constrained

8% dei decadimenti del K

definizione di una regione di segnale K++0 determina la divisione in due parti: Regione I e Regione II

attraversa la regione di segnale reiezione basata su Veto e particle ID

NOT kinematically constrained


Layout

~11 MHz of K+ decays

K+ +


I rivelatori CEDAR: Cherenkov differenziale per l’identificazione del K

positivo nel fascio (50MHz) GIGATRACKER: Tracciamento del fascio (Si micropixel) a monte

della regione di decadimento (800 MHz) CAMERE A STRAW: Spettrometro basato su 4 stazioni di camere

a tubi straw per tracciare i prodotti di decadimento del K (~10 MHz)

RICH: Ring Image Cherenkov, per rivelare il pione proveniente dal

K positivo, distinguere muoni da pioni e per trigger veloce

LAV: Veto per fotoni a grandi angoli (vetro al piombo) LKR: Veto per fotoni in avanti e calorimetro elettromagnetico (calorimetro a LKr di NA48) IRC/SAC: Veto per fotoni ad angoli piccoli e intermedi MUD e sweeper: rivelatore per muoni (calorimetro adronico di

NA48 con ferro e piano di scintillatore per trigger veloce) con magnete deflettore del

fascio non decaduto


Conclusioni

Test di universalità leptonica con Kl2 Dati 2003-2004

RK/RK ~ 2% ottimizzazione della strategia sperimentale

Dati 2007 run dedicato, 4 mesi di presa dati precisione attesa ~ 0.5% analisi dei dati iniziata

Misura del BR del decadimento K+ + O(100) eventi in 2 anni di presa dati , fondo 10%, sensitivity ~ 10-12

fase di R&D in completamento nel 2008, in attesa di approvazione…..

analisi dei dati iniziata

Un programma molto ricco nell’immediato futuroStay tuned!!

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