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KOPIO: un nuovo esperimento per la misura del branching ratio del decadimento

KOPIO: un nuovo esperimento per la misura del branching ratio del decadimento. A. Nappi Università di Perugia Padova 4/11/04. Perché K   Decadimenti FCNC Aspetti “golden” del decadimento K  . Il futuro K L  0  BNL KOPIO La tecnica Microbunching Fasci Rivelatori

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KOPIO: un nuovo esperimento per la misura del branching ratio del decadimento

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  1. KOPIO: un nuovo esperimento per la misura del branching ratio del decadimento A. Nappi Università di Perugia Padova 4/11/04

  2. Perché K  Decadimenti FCNC Aspetti “golden” del decadimento K   Il futuro KL0  BNL KOPIO La tecnica Microbunching Fasci Rivelatori Metodi di analisi e previsioni per la sensibilià Sottoprodotti E391 a JPARC Sommario • Situazione sperimentale attuale • KL0  • Limite di Grossman-Nir • Limiti di KTEV • KEK: E391a • K++  • BNL: E787, E949 • K++  • FNAL: CKM  P140 • CERN: NA48/3 • JPARC A.Nappi – KOPIO -

  3. Decadimenti di tipo FCNC • Processi che cambiano flavour ma non carica dei quarks • Assenti al “tree” level nello standard model • Secondo ordine nelle interazioni deboli (loops) • L’unitarietà della matrice CKM fornisce soppressione aggiuntiva (meccanismo GIM) • Nei canali con violazione di CP effetto residuo solo attraverso le differenze di fase tra gli elementi della matrice CKM • L’insieme di questi meccanismi di soppressione rende questi canali particolarmente sensibili ad effetti fuori dello standard model A.Nappi – KOPIO -

  4. K   ll Soppressione delle FCNC K0 ll u c t u c t t u c A.Nappi – KOPIO -

  5. KL 0 - Un po’ di storia • Gilmann-Wise (Phys.Rev.D21:3150, 1980) • Contributo di violazione diretta di CP ( scambio di 1 fotone ) • Stesso ordine di grandezza di quello di violazione attraverso il mixing (cfr ’/ ~ 10–3 ) • Difficoltà teoriche • Contributo CP conserving da scambio di due fotoni • Violazione diretta vs. violazione indiretta • La valutazione teorica di questi aspetti deve includere effetti di interazioni a long range • Difficoltà sperimentali • Fondo da (Greenlee,Phys.Rev.D42:3724,1990) • Dominato da interazioni short range • Contributo di violazione indiretta di CP trascurabile (Littenberg, Phys.Rev.D39:3322,1989 ) A.Nappi – KOPIO -

  6. K   : elementi di matrice adronici • Peculiarità della trattazione teorica di questo processo • hamiltoniana efficace dominata dall’operatore • l’operatore che compare nella descrizione del decadimento K+0e+ • è membro dello stesso doppietto di spin isotopico • gli elementi di matrice adronici possono essere estratti dalle misure sul decadimento semileptonico del K • l’input teorico richiesto è solo il calcolo dei coefficienti di Wilson della operator product expansion che può essere affidabilmente effettuato con tecniche perturbative A.Nappi – KOPIO -

  7. KL 0: violazione di CP Violazione indiretta • Littenberg: U.L. all’ampiezza CP conserving dalle proprietà di spin isotopico (I=½, Iz=+1/2) dell’hamiltoniana efficace Violazione diretta CPconserving • Dal B.R. misurato di K++ ( ~ 10–10) A.Nappi – KOPIO -

  8. CP di uno stato 0 con J=0 • CP(0) = CP(0)CP()(-1)L • L=J() perché combinati devono dare lo spin del K • CP(0) = (-1)J+1CP() = • = (-1)J+1 (-1)S+1 = (-1)J+1 • J=0 non è possibile perché Jz=1 se asse di quantizzazione lungo gli impulsi nel riferimento di quiete • J>1 non è possibile se la coppia  è prodotta dalla corrente CP(0) = + 1 L  momento angolare relativo tra 0 e () nel rif. di quiete del K0 Come nel positronio ... P(ff)=(-1)l+1 C(ff)=(-1)l+S ... ... A.Nappi – KOPIO -

  9. h r+ih 1-r-ih a b g r 1 K    nel modello standard • Vincoli su fasi CP della matrice CKM • Incertezze teoriche ~2-5% • Solo dalla fisica dei K • Insieme alle misure golden dal sistema dei B • vincolo non banale sulla violazione di CP nelle interazioni con S=1 A.Nappi – KOPIO -

  10. Riassunto su KL 0 • Motivi di interesse teorico • Dominato da violazione diretta di CP • Ampiezza di transizione legata, senza incertezze teoriche, ai parametri che caratterizzano il flavor mixing • KL 0 e K+ + , insieme alle misure “golden” del sistema del B, forniscono vincoli sovradeterminati sul flavor mixing del modello standard • Limite di Grossman-Nir • esiste già un vincolo teorico solido col quale l’esperimento deve confrontarsi • si deduce, con considerazioni di I-spin, dal B.R.(K++ ) A.Nappi – KOPIO -

  11. KL0 : problematica sperimentale • B.R. previsto nel modello standard: ( 3 ± 1 ) X 10-11 • Segnatura sperimentale estremamente tenue • Solo due fotoni rivelati • Senza accorgimenti particolari non è noto il vertice di decadimento né l’energia del K0 • Fondi dominanti: • Decadimenti del K • 34% dei decadimenti del KL ha almeno un p0 • es. KLp0 p0 ( B.R.=9.3 X 10-4) • KLp+ p- p0 (B.R. = 1.25 X 10-1) • ma anche, cattiva identificazione • es. KLe+p– ( B.R.=3.9 X 10-1) • KLe+p– ( B.R.=3.6 X 10-3) • Interazioni di neutroni del fascio • Decadimenti di iperoni, e.g. Lp0 n A.Nappi – KOPIO -

  12. KL0  in a nutshell A.Nappi – KOPIO -

  13. KL0  : i requisiti sperimentali • 2 fotoni e niente altro • sistema di veto “ermetico” • I due fotoni vengono dal decadimento del 0 • Richiede conoscenza del vertice ... v. in seguito ... • Caratteristiche cinematiche • Fondo più importante è KL0 0 . • energia del 0 nel centro di massa • impulso trasverso del 0 rispetto alla direzione di volo del K0 • entrambi hanno “end point” più alto che la maggior parte dei canali di fondo, ma la frazione di spettro “pulita” è piccola e dipende dalla risoluzione • Minimizzare il materiale attraversato dai neutroni del fascio • vuoto di alta qualità • piccolo alone del fascio A.Nappi – KOPIO -

  14. z da M(0) Pencil beam z da geometria Vincoli cinematici per KL0  • Veto ermetico complementato da vincoli cinematici • End point dello spettro dei 0 da KL00: pT> 209MeV/c • Solo 9.5% dei KL0  hanno 0 al di sopra • pT> x utile anche con x< 209MeV /c • rigetto eventi con fotone lento dei due 0 non rivelato • Misura pT • Rivelazione calorimetrica “normale” dei 0 • Vincolo m(0) non disponibile • Senza pencil beam cattiva risoluzione pT • Misura della direzione di almeno un fotone • Permette uso vincolo m(0) • Permette buona determinazione pT senza pencil beam • La conoscenza dell’impulso del K permetterebbe la trasformazione al centro di massa A.Nappi – KOPIO -

  15. Esempio di KTEV • Uso di p0  e+ e– permette • vincolo sulla massa del p0 (per p0 vertice non conosciuto) • miglioramento della risoluzione sulla misura del pT ( senza pencil beam) • ma • B.R.(p0  e+ e– )=1.2% B.R. < 5.9×10–7 al 95% CL A.Nappi – KOPIO -

  16. KL0: KEK E391a • Approvato nel 97, ha seguito un programma di sviluppo graduale, con uno studio sistematico dei problemi sperimentali rilevanti • Es: misure delle inefficienze dei rivelatori e dei loro limiti fisici • Sensibilità di progetto ~ 110-10 . • Esperimento pilota per futura iniziativa a JPARC per sensibilità 31014 • <p>K 2 GeV/c • Pencil beam per misura accurata dell’impulso trasverso del 0 • Calorimetro a CsI puro • Doppia regione di veto per eliminare fondo da 30 con  all’indietro A.Nappi – KOPIO -

  17. E391: misure di inefficienza A.Nappi – KOPIO -

  18. Run 2004 di E391a • Richiesto ulteriore periodo di presa dati nel 2005 A.Nappi – KOPIO -

  19. E787 a BNL (K++ )  Particelle cariche  B.R.(+0)=21%  B.R(+)=63% • K+ stop • Fascio separato • Copertura veto • Misure ridondanti del  • Impulso • Range • Energia • Sequenza di deca-dimento e A.Nappi – KOPIO -

  20. Risultati finali di E787 • ptra i picchi del  e del  • Fondo stimato con dati • Per ogni sorgente set di tagli indipendenti incrociati • Correlazioni verificate sui dati allargando i tagli • 5.91012K+ con =2 10−3 • 2 eventi con fondo stimato di 0.15 A.Nappi – KOPIO -

  21. BNL E949 (upgrade di E787) • Proposta originaria • 2 anni di presa dati per SES10–11/ evt ( 7 eventi per il BR dello S.M.) • Sensibilità 14 × (efficienza del DAQ e uso di pioni “soft”) • Approvati per 2002-2003 ed upgrade effettuato, ma • finanziamenti per presa dati troncati dal DOE (!) dopo 1/3 E787 A.Nappi – KOPIO -

  22. KOPIO: approccio nuovo a 0 • In aggiunta ai veto usare il maggior numero di vincoli cinematici possibili • Energia, posizione, direzione, tempo dei  • Impulso del KL mediante TOF per transformazione al CM • Vantaggi • manopola indipendente dal veto per variare la percentuale di fondo • complementare al veto perché permette di evitare regioni in cui l’efficienza è bassa • Preradiatore tracciante per la misura della direzione dei g • Misura di E combinando prerad + Shashlik • Copertura ermetica dei veto inclusa la regione del fascio A.Nappi – KOPIO -

  23. La tecnica del micro-bunching • Richieste • Larghezza del bunch ~ risoluzione temporale: 150-250ps • Separazione dei bunch per evitare ambiguità nella determinazione del tempo di volo: 40ns • Bunching factor=separazione/larghezza RMS: 160 - 260 • Tecnica di bunching all’estrazione • Si debuncha il fascio circolante • Si accende una radiofrequenza a 25 MHz non in risonanza con la frequenza di rivoluzione • Diminuendo lentamente il campo magnetico si portano i protoni di impulso più alto vicini alla risonanza • I protoni in fase con la radiofrequenza ricevono una modulazione in energia sufficiente a farli entrare in risonanza con le oscillazioni trasversali A.Nappi – KOPIO -

  24. Rappresentazione pittorica A.Nappi – KOPIO -

  25. Misure e simulazioni del -bunching • Test del principio con cavità a 93MHz, 25kV • larghezza rms: 245ps • Simulazioni • Per stesso RMS a 25MHz richiesto RF voltage > 150kV • Schema preferito • Due cavità armoniche • 25 MHz, 150 kV • 100 MHz, 150 kV A.Nappi – KOPIO -

  26. Estinzione A.Nappi – KOPIO -

  27. L’apparato sperimentale A.Nappi – KOPIO -

  28. L’apparato sperimentale A.Nappi – KOPIO -

  29. Il fascio • Angolo di produzione 45° • Fascio ellittico • 5mrad in vert. ×100mrad in orizz. • Flussi di KL con 7 × 1013 pot • decadimenti tra ultimo collimatore e prerad: 2.6  107 • decadimenti/mbunch:0.43  (singoli: e-0.43=0.65) • Flussi di n con 7 × 1013 pot • su fascio: > 10MeV: 0.6  1011 • Alone in corso di ottimizzazione • < 10-4 per limitare overveto • richieste più stringenti per limitare la produzione di p0 che può generare fondo. Spettro del fascio all’ingresso della regione di decadimento (MeV/c) A.Nappi – KOPIO -

  30. Parametri del fascio • Angolo di produzione 45° • Fascio ellittico • 5mrad in vert. ×100mrad in orizz. • Flussi di KL con 7 × 1013 pot • all’uscita dell’ultimo collimatore: (z=8.5): 1.4  108 • decadimenti tra ultimo collimatore e prerad: 2.6  107 • decadimenti/mbunch:0.43  (singoli: e-0.43=0.65) • Fotoni ridotti con spoiler in B field • > 10MeV: 1.4  1010  ~250/ mbunch Spettro del fascio all’ingresso della regione di decadimento (MeV/c) • Flussi di n con 7 × 1013 pot • su fascio: > 10MeV: 0.6  1011 ; >100MeV: 0.4  1011 • Alone in corso di ottimizzazione • < 10-4 per limitare overveto • richieste più stringenti per limitare la produzione di p0 che può generare fondo. A.Nappi – KOPIO -

  31. Beam halo e S/B vs aspect ratio A.Nappi – KOPIO -

  32. Schema di collimazione A.Nappi – KOPIO -

  33. Misura dei g • Direzione • Preradiatore di bassa densità • Risoluzione 25mrad a 250MeV (E–0.7 ) • Energia • Calorimetro Shashlik + preradiatore • Shashlik da solo, su test beam, ha dato 2.9%/E • Combinando le due misure, studi Monte-Carlo indicano la possibilità di raggiungere una risoluzione del 2.7%/E • Tempo • s(t)  0.2 ns A.Nappi – KOPIO -

  34. Preradiatore (TRIUMF) • 64 strati di 0.034 X0 (5X5 m2) • Celle drift 5 X 5 mm2 ( lettura filo e strisce catodiche ) • Scintillatore per misura E in congiunzione col calorimetro • Prestazioni: • Risoluzione angolare 25 mrad @250MeV ( E–0.7) • Risoluzione in energia insieme a Shashlik A.Nappi – KOPIO -

  35. Shashlik (Yale) A.Nappi – KOPIO -

  36. Altre prestazioni dello shashlik A.Nappi – KOPIO -

  37. Preradiatore+Shashlik: GEANT A.Nappi – KOPIO -

  38. Sistema di veto: specifiche • Particelle cariche: • Prestazioni estrapolate da misure a KEK e dati su processi di assorbimento nucleare • e+ : • e– : 10–4 • per limitare l’assorbimento nucleare tale efficienza deve essere ottenuta in < 3mm Sci • Copertura della regione del fascio • per fotoni: contatori di Cerenkov “insensibili” ai neutroni (catcher) • per cariche: contatori di veto a valle di magnete “sweeping” • Fotoni • Prestazioni di riferimento E787 con miglioramenti ~ 2 X • sampling migliore (sp. bassa E) • # di lunghezze di radiazione • Limite fisico da processi di fotodisintegrazione A.Nappi – KOPIO -

  39. Efficienze di veto per fotoni: dati • Limitazioni fisiche legate a sampling, punch through, fotodisintegrazione • ES171 a KEK • g taggati prodotti per e bremsstrrahlung • eventi inefficienti identificati mediante i neutroni emessi nella fotodisintegrazione • lower limit ? • 1mmPb + 3mm Sci per 18X0 • E787 a BNL • g da K+p+ p 0 • 1mm Pb + 5mm Sci per 15X0 • Entrambi usano soglia di 10MeV • KOPIO • sampling migliore • 0.5mmPb+7mmSci per 3.2X0 • 1mmPb+7mmSci per 14.8X0 • possibilità di soglia minore? • Legata a valutazione di rate da alone del fascio + n lenti A.Nappi – KOPIO -

  40. Efficienza di veto per carichi: dati • Misure di Inagaki a KEK • 1GeV/c, 1cmSci; soglia 1MeV • ( misura essenzialmente la probabilità dei fenomeni di assorbimento ) • Probabilità di assorbimento (/cm) • e+: (3.2±0.9) ×10–4 • +: < 1.6 ×10–5 • e– :< 1.3 ×10–4 • –: (6±1) ×10–4 A.Nappi – KOPIO -

  41. Veto per fotoni A.Nappi – KOPIO -

  42. Veto per fotoni: upstream (Mosca) A.Nappi – KOPIO -

  43. Veto per fotoni: barrel (Mosca) A.Nappi – KOPIO -

  44. Veto per particelle cariche (Zurigo) • Progetto ancora in evoluzione • interni alla regione di decadimento evacuata • Alto light yield per rivelazione in < 1mm A.Nappi – KOPIO -

  45. Prestazioni dei veto carichi A.Nappi – KOPIO -

  46. Beam catcher • Viene coperta con veto anche la regione del fascio ( a valle ) • Contatori di Cerenkov insensibili ai neutroni di bassa energia • 512 moduli in 25 righe • Veto accidentali: • 1.8% n + 1.2% KL • Inefficienza per DPR=10ns • 0.3% da n • < 0.1% da  del fascio • Arrivano >4ns prima A.Nappi – KOPIO -

  47. Test prototipi catcher (Kyoto) A.Nappi – KOPIO -

  48. Risposta del catcher a protoni A.Nappi – KOPIO -

  49. Il problema del trigger • E’ possibile realizzare un trigger sufficientemente selettivo (~100kHz) ed efficiente (~90%) solo con segnali di scintillatori? A.Nappi – KOPIO -

  50. Aspetti critici del livello 0 • NX vs Ny non fornisce discriminazione sufficiente • In particolare: contributo da vertici fuori della regione fiduciale • Uso estensivo delle condizioni di veto • Perdite per accidentali stimate tengono conto solo dei decadimenti del K • Contromisure: • Miglioramento del pattern recognition per maggiore selettività sulla origine delle tracce • Controllo della risoluzione temporale online A.Nappi – KOPIO -

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