490 likes | 700 Views
ИСТРА +. Поиск тяжелого нейтрино в распаде K‾ → µ‾ ν γ на установке «ИСТРА+». ИФВЭ У -70 ( Протвино , Россия ). Вячеслав Дук , ИЯИ РАН коллаборация «ИСТРА+». План. Аномалия LSND/KARMEN/ MiniBooNE и стерильное нейтрино ν h Поиск ν h в распадах К-мезонов Установка «ИСТРА+»
E N D
ИСТРА+ Поиск тяжелого нейтрино в распаде K‾→ µ‾ ν γна установке «ИСТРА+» ИФВЭ У-70 (Протвино, Россия) Вячеслав Дук, ИЯИ РАН коллаборация «ИСТРА+»
План • Аномалия LSND/KARMEN/MiniBooNEи стерильное нейтрино νh • Поиск νhв распадах К-мезонов • Установка «ИСТРА+» • Отбор событий для распадаK‾→ µ‾ ν γ • Выделение сигнала • Ограничения на |Uµh|2 • Выводы В.A.Дук, ИЯИ РАН
Мотивация Статья С.Н.Гниненко (ИЯИ РАН) Resolution of puzzles of LSND, KARMEN and MiniBooNE experiments Phys.Rev.D83:015015,2011. arXiv: 1009.5536 Следующие 8 слайдов взяты из доклада С.Н.Гниненко на митинге NA62 в ЦЕРНе В.A.Дук, ИЯИ РАН
Нейтринные осцилляции: LSND В.A.Дук, ИЯИ РАН
Нейтринные осцилляции: KARMEN В.A.Дук, ИЯИ РАН
Нейтринные осцилляции: MiniBooNE В.A.Дук, ИЯИ РАН
Нейтринные осцилляции: сводная таблица результатов В.A.Дук, ИЯИ РАН
Возможное объяснение результатов экспериментов (С.Н.Гниненко, ИЯИ РАН) В.A.Дук, ИЯИ РАН
Параметры новой частицыνh • m > 40 MeV: отсутствие избытка событий в KARMEN (пороговый эффект) • m < 80 MeV: для m > 80MeV рождениеνhв LSND подавленоза счет фазового объема • τ(νh) > 10-11 sec: из ограничений LEP: BR(Z→ννh) x BR(νh → νγ) < 2.7 x 10-5 • τ(νh)< 10-9 sec: νhраспадаются в пределах детектора MiniBooNE • 10-3 < |Uμh|2 < 10-2 : из количества «избыточных» событий в MiniBooNE В.A.Дук, ИЯИ РАН
Новая слабо взаимодействующая частица νh 40 MeV < m(νh) < 80 MeV 10-3 < |Uμh|2< 10-2 10-11 sec < τ(νh)< 10-9 sec Радиационный распад (>99%): νh→νγ В.A.Дук, ИЯИ РАН
νh : ограничения из каонных/пионных распадов В.A.Дук, ИЯИ РАН
Поискνhв распадх К-мезонов • K→μνh , νh →νγ: • пик в Eμ(cms) • сигнатура такая же, как для K→ µ ν γ • Нет фона от K→μνμ • есть чувствительность к малым массам νh • Вершина вторичного распада • K→μνh : • пикв Eμ(cms) • фон от K→μνμ • нет чувствительности к малым массам νhиз-за разрешения Энергия мюона в 2-частичном распаде подходит для «ИСТРА+» В.A.Дук, ИЯИ РАН
Коллаборация «ИСТРА+» • Институт физики высоких энергий, Протвино (ИФВЭ) • Институт ядерных исследований РАН, Москва (ИЯИ РАН) • Объединенный институт ядерных исследований, Дубна (ОИЯИ) ИСТРА+ В.A.Дук, ИЯИ РАН
Установка «ИСТРА+» p ~26 GeV/c, Δp/p ~ 1.5%, K‾ ~ 3%, I ~ 3*106 / 1.9sec T0=S1. S2. S3. S4. C0. C1. C2. S5 (фактор подавления ~10) T1=T0.(∑SP1 > MIP) C1-C4 – пороговые черенковские счетчики; S1-S5 – сцинтилляционные счетчики; PC1-PC3 – пропорциональные камеры; SP2 – вето-калориметор; SP1 – электромагнитный калориметр; DC – дрейфовые камеры; DT-дрейфовые трубки; MH – матричный сцинтилляционный годоскоп В.A.Дук, ИЯИ РАН
Установка ИСТРА+: пучковая часть T0=S1 . S2 . S3 . S4 . C0 . C1 . C2 .S5 (prescaled by a factor of ~10) T1=T0.(∑SP1 > MIP) C1-C4 – пороговые черенковские счетчики; S1-S5 – сцинтилляционные счетчики; PC1-PC3 – пропорциональные камеры; SP2 – вето-калориметор; SP1 – электромагнитный калориметр; DC – дрейфовые камеры; DT-дрейфовые трубки; MH – матричный сцинтилляционный годоскоп В.A.Дук, ИЯИ РАН
Установка ИСТРА+: распадный объем T0=S1 . S2 . S3 . S4 . C0 . C1 . C2 .S5 (prescaled by a factor of ~10) T1=T0.(∑SP1 > MIP) He vacuum C1-C4 – пороговые черенковские счетчики; S1-S5 – сцинтилляционные счетчики; PC1-PC3 – пропорциональные камеры; SP2 – вето-калориметор; SP1 – электромагнитный калориметр; DC – дрейфовые камеры; DT-дрейфовые трубки; MH – матричный сцинтилляционный годоскоп В.A.Дук, ИЯИ РАН
Установка ИСТРА+:магнитный спектрометр T0=S1 . S2 . S3 . S4 . C0 . C1 . C2 .S5 (prescaled by a factor of ~10) T1=T0.(∑SP1 > MIP) C1-C4 – пороговые черенковские счетчики; S1-S5 – сцинтилляционные счетчики; PC1-PC3 – пропорциональные камеры; SP2 – вето-калориметор; SP1 – электромагнитный калориметр; DC – дрейфовые камеры; DT-дрейфовые трубки; MH – матричный сцинтилляционный годоскоп В.A.Дук, ИЯИ РАН
Установка ИСТРА+: ECAL, HCAL T0=S1 . S2 . S3 . S4 . C0 . C1 . C2 .S5 (prescaled by a factor of ~10) T1=T0.(∑SP1 > MIP) C1-C4 – пороговые черенковские счетчики; S1-S5 – сцинтилляционные счетчики; PC1-PC3 – пропорциональные камеры; SP2 – вето-калориметор; SP1 – электромагнитный калориметр; DC – дрейфовые камеры; DT-дрейфовые трубки; MH – матричный сцинтилляционный годоскоп В.A.Дук, ИЯИ РАН
Реконструкция распада K→µνh (νh→νγ) : первичная и вторичная вершина распада νμ K→µνγ γ Pγ, вычисленный по точкам A, B K B A μ ν K→µνh (νh→νγ) Pγ, вычисленный по точкам A, B: дополнительное «размытие» энергии νh γ K B A μ Eνh ~ 240 MeV , mνh ~ 40–80 MeV Размытие небольшое В.A.Дук, ИЯИ РАН
K→µνh (νh→νγ): первичная и вторичная вершина распада τ=10-9 sec τ=10-10 sec τ=10-11 sec Zνh - ZK dz, cm dz, cm dz, cm τ=10-9 sec τ=10-11 sec τ=10-10 sec (Zνh – ZK)/(ZECAL – ZK) В.A.Дук, ИЯИ РАН
K→µνh (νh→νγ): «размытие» Eγв системе отсчета каона dE = Etrue - Emeasured τ=10-11 sec τ=10-10 sec τ=10-9 sec dE, GeV dE, GeV dE, GeV В.A.Дук, ИЯИ РАН
K→µνh (νh→νγ): кинематика в системе отсчета (СО) каона Pγ: СО каона P*γ: СОνh νh ν μ вершина распада каона γ cos θμγ ~ (-1) Eνh ~ 240 MeV , mνh ~ 40–80 MeV Eγ> 50 MeV пик более острый для малых mh В.A.Дук, ИЯИ РАН
Отбор событий для распада K→µνh (νh→νγ):сигнатура K‾→ µ‾νμ γ • Треки (один первичный трек, один вторичный трек, ограничения на качество трека) • Вeто (отсутствие сигналов выше порога) • Вершина распада (400 < z < 1600 cm, ограничения на вероятность вершинного фита) • Идентификация частиц: Фотон: ливень в калориметре ECAL Mюон: 1) MIP в ECAL 2) сумма отсчетов ADC в HCAL < 200 3) относительное энерговыделение в последних трех слоях HCAL > 0.05 В.A.Дук, ИЯИ РАН
дифференциальная ширина распада K→µνµγ: общая формула Кинематические переменные: х =2 * Eγ(cms) / Mky=2 * Eµ(cms) / Mk 3 основных вклада: IB – доминирующий SD±, INT± - наиболее интересные (→ Fv , FA) Далитц-плот x y В.A.Дук, ИЯИ РАН
K→µνγ: подавление фонов и наблюдение сигнала • Основные фоновые процессы: • K→ µ ν π0 (Kµ3) с одним потерянным фотоном от распада π0→γγ • K→ π π0 (Kπ2) с одним потерянным фотоном от π0→γγи неправильной идентификациейπ • Наблюдение сигнала: M(µ ν γ)=√(Pµ+Pν+Pγ)2где pν=pK-pµ-pγ ; Eν=|pν| M(µνγ)имеет пик на MK=0.494 GeVдля сигнала Процедура подавления фонов: ”сканирование”Далитц-плота (y, x) и поиск пика в распределении поM(µνγ) В.A.Дук, ИЯИ РАН
K→µνγ: Далитц-плот(y, x) Kµ3 (MC) Kπ2 (MC) сигнал (MC) X X X Y Y Y Основной фон: Kμ3 для больших x Kπ2 для малых x В.A.Дук, ИЯИ РАН
K→µνγ: выделение сигнала • Далитц-плот(y, x) разделяется на полосыпо х с ширинойΔx=0.05 (x-полосы) • В х-полосах налагается оптимальное ограничение на y • В каждой х-полосе производится одновременный фитM(µ ν γ) , yиcosθμγ • Подробности встатьеPhys.Lett.B 695 (2011) 59-66 X зеленый: K→µνγ синий: Kμ3 красный: Kπ2 y cos θµγ M (µ ν γ) y y cos θµγ M (µ ν γ) В.A.Дук, ИЯИ РАН
K→µνh (νh→νγ): подавление фонов и выделение сигнала • Основные фоны: • K→ µ ν γ (Kµ2γ) • K→ µ ν π0 (Kµ3) С потерянным фотоном от π0→γγ • K→ π π0 (Kπ2) С потерянным фотоном от π0→γγи неправильной идентификацией π как μ • наблюдение сигнала: пики в распределении по y и cosθμγ, где θμγ - угол между pµ и pγiв системе отсчета каона. cosθμγ имеет пик на (-1) для сигнала процедура подавления фонов: ”сканирование”Далитц-плота (х, y) и поиск пика в распределении поcosθμγ В.A.Дук, ИЯИ РАН
K→µνh (νh→νγ): Далитц-плот(y, x) Kµ2γ (MC) X Kπ2 (MC) X сигнал (MC) X Y Y Kµ3 (MC) Y X основной фон: Kπ2 Y В.A.Дук, ИЯИ РАН
K→µνh (νh→νγ): выделение сигнала • Далитц-плот(y, x) делится на полосы по х сшириной Δx=0.05 (x-полосы) • ограничение на y в х-полосах: 1 < y < 1.2 • Одновременный фитyиcosθμγв х-полосах сигнал (MC) X 7 x-полосотобрано для дальнейшего анализа в диапазоне: 1 < y < 1.2 0.2 < x < 0.55 y В.A.Дук, ИЯИ РАН
Возможный сигнал νhв х-полосах; |Uµh|2=0.01, m=60 MeV,τ=10-10 sec полоса 2: 0.25 < x < 0.3 фиолетовый: сигнал зеленый: K→µνγ синий: Kμ3 красный: Kπ2 cos θµγ Y полоса 4: 0.35 < x < 0.4 пик острее для больших x cos θµγ Y полоса 7: 0.5 < x < 0.55 Y cos θµγ В.A.Дук, ИЯИ РАН
Возможный сигнал для разных масс νh; |Uµh|2=0.01,τ=10-10 sec m=40 MeV m=80 MeV m=60 MeV cos θµγ cos θµγ cos θµγ пик более острый для малых mh В.A.Дук, ИЯИ РАН
Возможный сигнал для разных времен жизни νh; |Uµh|2=0.01, m=60 MeV τ=10-11 sec τ=10-9 sec τ=10-10 sec cos θµγ cos θµγ cos θµγ пик более острый для больших τh В.A.Дук, ИЯИ РАН
Эффективность τ=10-9 sec τ=10-10 sec mνh, MeV mνh, MeV τ=10-11 sec mνh, MeV В.A.Дук, ИЯИ РАН
K→µνh (νh→νγ): одновременный фит в х-полосах 0.3 < x < 0.35 Одновременный фитcosθμγи y более надежный Y cos θµγ 0.5 < x < 0.55 Формы распределений сигнала и фона взяты из MC Y cos θµγ фиолетовый – signal, зеленый – Kμ2γ, синий – Kμ3, красный – Kπ2 В.A.Дук, ИЯИ РАН
Вычисление |Uµh|2 В.A.Дук, ИЯИ РАН
Вычисление |Uµh|2 В.A.Дук, ИЯИ РАН
Вычисление |Uµh|2 f(mh , mµ) 2.12 · 107 f = 1.1 – 1.5 mνh, GeV синий: 1+(mh/mμ)2 красный: f(mh, mμ) В.A.Дук, ИЯИ РАН
Вычисление |Uµh|2 • |Uµh|2вычисляется для каждой х-полосы • Полученные величины |Uµh|2усредняются • Устанавливается верхний предел на|Uµh|2 В.A.Дук, ИЯИ РАН
Усреднение|Uµh|2и установление U.L. m=80 MeV, τ=10-11 sec |Uµh|2 |Uµh|2= (0.8 ± 1.2)*10-5 |Uµh|2 <2.7*10-5 (95% C.L.) X В.A.Дук, ИЯИ РАН
|Uµh|2 дляτ=10-11sec |Uµh|2 |Uµh|2 mνh, MeV mνh, MeV Синяя полоса : предсказание из данных LSND, KARMEN. MiniBoonE Черная линия: ИСТРА+ @ 95% C.L. В.A.Дук, ИЯИ РАН
|Uµh|2 дляτ=10-10 sec |Uµh|2 |Uµh|2 mνh, MeV mνh, MeV Синяя полоса : предсказание из данных LSND, KARMEN. MiniBoonE Черная линия: ИСТРА+ @ 95% C.L. В.A.Дук, ИЯИ РАН
|Uµh|2 дляτ=10-9 sec |Uµh|2 |Uµh|2 mνh, MeV mνh, MeV Синяя полоса : предсказание из данных LSND, KARMEN. MiniBoonE Черная линия: ИСТРА+ @ 95% C.L. В.A.Дук, ИЯИ РАН
Систематическая ошибка: ограничение на x усреднение |Uμh|2: добавление 8-й х-полосы в фит τ=10-9 sec τ=10-11 sec τ=10-10 sec mνh, MeV mνh, MeV mνh, MeV В.A.Дук, ИЯИ РАН
Систематическая ошибка: форма распределений MC Усреднение |Uμh|2: масштабирование ошибок до χ2/ndf = 1 τ=10-9 sec τ=10-10 sec τ=10-11 sec mνh, MeV mνh, MeV mνh, MeV В.A.Дук, ИЯИ РАН
Предварительные результаты • |Uµh|2 < 1x10-4 (95% CL) дляτ=10-9 sec • |Uµh|2 < 4x10-5 (95% CL) дляτ=10-10 sec • |Uµh|2 < 4x10-5 (95% CL) дляτ=10-11 sec • Детальное изучение систематики в процессе В.A.Дук, ИЯИ РАН
Выводы • Тяжелое стерильное нейтрино νhсо следующими свойствами объясняет аномалии LSND/KARMEN/MiniBoone: 40 MeV < m(νh) < 80 MeV, 10-11 sec < τ(νh)< 10-9 sec, 10-3 < |Uμh|2< 10-2 • νhможно эффективно искать в распадах К-мезонов: K→µνh (νh→νγ) • Получены ограничения на |Uµh|2 из распада K‾→ µ‾ ν γна установке «ИСТРА+»: |Uµh|2 < 1x10-4 (95% CL) дляτ=10-9 sec |Uµh|2 < 4x10-5 (95% CL) дляτ=10-10 sec |Uµh|2 < 4x10-5 (95% CL) дляτ=10-11 sec • Детальное изучение систематики в процессе В.A.Дук, ИЯИ РАН
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! В.A.Дук, ИЯИ РАН
Back-up: верхний предел с учетом систематической ошибки В.A.Дук, ИЯИ РАН