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L'esperimento NA62 al CERN

L'esperimento NA62 al CERN . Argomenti della presentazione: Che cosa vuole misurare NA62 e perché Come intende procedere. Enrico Iacopini Univ. di Firenze e INFN-FI. Bologna, 21 settembre 2010. La misura.

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L'esperimento NA62 al CERN

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Presentation Transcript

  1. L'esperimento NA62 al CERN • Argomenti della presentazione: • Che cosa vuole misurare NA62 e perché • Come intende procedere Enrico Iacopini Univ. di Firenze e INFN-FI Bologna, 21 settembre 2010

  2. La misura L’esperimento NA62 si propone di misurare il BR del decadimento rar(issim)o (BRSM~0.8×10-10) con un’accuratezza del 10% Perché si vuole farlo ? • La ragione è che questo decadimento • costituisce un test inequivoco delle previsioni dello SM, dato che, in esso, il suo BR (con quello del decadimento “fratello” ) può essere oggi calcolato con un grado di accuratezza, oggi non raggiungibile in altri processi FCNC (10%5%). • E’ molto sensibile a contributi di Fisica oltre il MS (NP). Infatti, risultando  sin8qC, esso é fortemente soppresso (BR ≈ 10-10) nel MS ed in caso di NP, contributi mediati, per esempio, da W-ini e Z-ini sono in grado di modificarlo sensibilmente…

  3. K→pnn : Teoria nello Standard Model charm contribution top contributions The hadronic matrix element is, in fact, measured (and isospin rotated) …

  4. Predizioni dello SM • Standard Model • BR(K+p+n n)  (8.5 ± 0.7)×10-11 • BR(KLp0n n)  (2.6 ± 0.4)×10-11 dove, per il decadimento carico che ci interessa, il break down dell’incertezza è il seguente: 25% incertezza sulla massa del charm (assunta 1.3 GeV); 45% incertezze su CKM e fattori di scala; 11% incertezze suas , mt; 19% incertezza dal Ke3 e dal contributo da quarks u e c (16%) J.Brod, M. Gorbahn; arXiv:0805.4119v1 … e, a detta dei teorici del campo, una predizione addirittura meglio che ≈ 5% (7% nel caso del KL) sembra possibile in un futuro prossimo … Eventuali discordanze, dunque, sarebbero segno di NP …

  5. (ρ,η) α K+→π+νν K0→π0νν γ β (0,0) (1,0) Impact of the proposed measurement on the Unitarity Triangle Oggi da K+p+n nbar 100 events Mean=E787/949 BR(K+ → p+n n ) = 1.73+1.15-1.05 × 10-10

  6. Impact on possible NP • Possibility to distinguish among several NP models (SUSY, MSSM with or without new sources of CPV or FV), 5-dim split fermions, topcolor, multi Higgs, light sgoldstino, extra-dimensions, ...)

  7. NA48: ’/ 1997 ’/ 1998 ’/ 1999 no spectrometer 2000 KL NA48/1 KS ’/lower inst. intensity 2001 2002 NA48/1: KS 2003 NA48/2: K NA62 is the continuation of NA48, with an improved detector… Direct CP-Violation established Ree’/e = 14.7 ± 2.2  10-4 KTeV (2008) 19.2 ± 2.1  10-4 + KLRare Decays First observation of K0S→p0e+e-andK0S →p0m+m- + KLRare Decays • Search for Direct CP-Violation • in charged kaon decays • ppscattering length: • (a0-a2)m+= 0.268  0.017 NA48/2: K 2004

  8. NA48/3  P326  NA62 With the NA48 standard detector, perform a precision measurement (<0.5% accuracy) of the ratio NA62 phase I Data taking: 2007 Results: end 2008 to check lepton universality and possibly observe signals of Physics beyonf the SM (40% dataset) Perform the measurementof the BR (10% accuracy) of the very rare decay NA62 phase II 2005: First Proposal 2013-2015: data taking

  9. CERN-SPSC-2005-013 SPSC-P-326 CERN-SPSC-2007-035 SPSC-M-760 NA48 present Beam line Proposal to Measure the Rare DecayK+p+ n nat the CERN SPS • Presented at the CERN SPSC in September 2005 • R&D endorsed by CERN Research Board on December 2005 • Test beams for R&D in 2006-2008 • Addendum to the Proposal in November 2007 • 2008-2009: approval • 2009-2011: construction • 2012: commissioning • 2013-2014: data taking NA62 Collaboration: Bern ITP, Birmingham, Bristol, CERN, Dubna, Ferrara, Fairfax, Florence, Frascati, Glasgow, IHEP, INR, Liverpool, Louvain, Mainz, Merced, Naples, Perugia, Pisa, Rome I, Rome II, San Luis Potosi, SLAC, Sofia, TRIUMF, Turin NA62

  10. Data l’estrema piccolezza del BR della reazione, la misura si può fare solo se si riesce davvero ad “eliminare” il fondo ! (Jacques de La Palice …) … E come si fa ? Una bella somiglianza con Peter. Come hai fatto? Semplice. Prendi un grosso masso e togli via tutto quello che non somiglia a Peter

  11. p qKp K+ n n m2miss=(PK-Pp)2 Le linee guida per NA62 ~ max 15% di fondo O(100) eventi K+p+ n n in 2 anni Tecnica di decadimento del K in volo Fascio intenso di protoni dal SPS K di alta energia (PK= 75 GeV/c) Fascio non separato Cherenkov per K tagging: CEDAR • BR(SM) = 8×10-11 • ~ 4.8×1012 K+ decays/y • Accettanza ~15% • Reiezione cinematica • K+: tracciatore del fascio (GTK:Si) • p+ : spettrometro magnetico • (STraw-CHambers STCH) • Veto g,p0: LKr + LAV + SAC • Veto eventi multitraccia: STCH • Separazione p/m: MUD+RICH • Veto e particle ID

  12. Il detector di NA62 ppp: 3.3 x 1012 Momentum: 75 GeV/c Duty cycle: 4.8/16.8 s Pulses/year: 1.5 x105 SM events/y: 50

  13. NA62 future beam line Beam line TARGET

  14. NA62 future beam line

  15. p qKp K+ n n m2miss=(PK-Pp)2 Fondo con soglia cinematica 92% dei decadimenti del K+ • K+ p+p0determina, quanto al segnale, la divisione in due regioni utili • Regione I: 0 < m2miss < 0.01 GeV2/c4 • Regione II: 0.026 < m2miss < 0.068 GeV2/c4 • Reiezione basata su Cinematica, Veto e Particle ID

  16. p qKp K+ n n m2miss=(PK-Pp)2 Fondo senza soglia cinematica 8% dei decadimenti del K+ • Questo fondo attraversa la regione del segnale • Reiezione basata solo su Veto e Particle ID

  17. Esempio di riduzione del fondo K+→m+n (Km2) K+→ p+p0 (Kp2) • Largest BR:63.4% • Need~10-12rejection factor • Kinematics:10-5 • Muon Veto:10-5 MUD • Particle ID:5×10-3RICH • 2ndLargest BR:20.9% • Need~3×10-12rejection factor • Kinematics:10-4 • p0 (2 Photon Veto):3.5×10-8 • Large angle: • 12 ANTIs (10 < acceptance < 50 mrad) • Medium angle: • NA48 LKr (1 < acceptance < 10 mrad) • Small angle: • IRC SAC (acceptance < 1 mrad) Resolution requirements: Pp< 1 % PK < 0.5% qKp 50-60 μrad Quanto alla cinematica, si è assunto (mmiss)2 ~ 10-3GeV2/c4

  18. Va bene eliminare il fondo, ma occorre che un po’ di segnale resti ! • Selezione: • 1 traccia ricostruita nel gigatracker e nelle straw • 1 traccia vista nel RICH  particle-ID e timing • Traccia nell’accettanza del LKr e MUD  particle-ID • 5 < Zvertex<65 m dalla 3rd stazione del gigatracker  definizione della regione fiduciale • CDA<0.8 cm (s(CDA)~0.1 cm)  rigetta eventi mal ricostruitai • Pp< 35 GeV/c essenziale sia per vetare il p+p0 che per mantenere la separazione m/p del RICH a meglio dello 0.5% . • Accettanza = 14.4% (3.5% Regione 1, 10.9% Regione 2) • Efficienza di ricostruzione del gigatracker ~90%. • Contributo principale: taglio su Pp (riduzione 50% dell’accettanza)

  19. Rapporto segnale/fondo

  20. … e veniamo ora alle caratteristiche che devono possedere i principali rivelatori di NA62 …

  21. Il fascio che useremo … BEAM (CERN) Primary beam: 400 GeV/c primary protons from SPS 1.1 x 1012 protons/s on target Secondary beam: 75 GeV/c (DP/P ~ 1%) p/p/K (fraction of K ~6%) e+ component suppressed Area at beam tracker 16 cm2 Integrated average rate at beam tracker 750 MHz Expected kaon decays per year 4.8x1012 (1y = 100d, 60% eff.)

  22. K tagging • CEDAR (UK+USA) • A differential Cherenkov counter for K tagging • Upgraded version of the CEDAR built for the • SPS secondary beams: • Pressurized H2 (3.6bar) instead of Nitrogen • New photo detectors and electronics • Vary gas pressure and diaphragm aperture • to select Kaons: 80% eff, rej err = 1% • 100 ps time resolution (30 pe; 1.5 x 10^9 pe/s)

  23. beam Il Gigatracker (GTK) (CERN, TO, FE) A1÷A4: achromat dipole magnets to provide the momentum selection and recombination • 800 MHz beam • Rate< 82MHz/cm2 • 200 ps time resolution • <0.5 % X0 /station not to scale Layout of the beam on the horizontal plane The Beam momentum is derived from the hit coordinate in GTK2 with respect to GTK1 and GTK3 coordinates: 75 GeV/c -> 60 mm

  24. Layout di ciascuna stazione pixel matrix chip mechanical support 18000 pixels quadrati con lato di 300 mm vista frontale • 200 mm Silicon sensor (>11 000 e/h mip) • Bump-bonding • Read-out chip (0.13mm techology) • Thinned down to ~100 mm • Beam surface ~ 14 cm2 • ~125 mm Carbon fibre for cooling & support • Fluences: 1.×1012 to 2.×1014 1MeVequiv n/cm2 Risoluzioni necessarie: s(PK)/PK ~ 0.2% s(dX,Y/dZ) ~ 12 mrad (mmiss)2 ~ 10-3 GeV2/c4

  25. Il tracking STRAW TRACKER (CERN-Dubna) 4 straw chambers in vacuum 1 magnet (NA48 magnet, 256 MeV/c Pt kick) 4 views per chamber (XYUV) 4 staggered layers of tubes per view 9.6 mm Mylar tubes 2.1 m long Total X0 ~0.1% per view Full length prototypes built in 2007 and 2010 Tested in beam

  26. Photon Veto I LARGE ANGLE VETO (LNF, NA, PI, RM1) 12 rings in vacuum to cover 8.5 to 50 mrad OPAL lead glass Rings built in Frascati

  27. (CERN-Sofia) Photon Veto II LKR Liquid Krypton Calorimeter Use the existing LKr from NA48 Inefficiency for detecting g measured on data For Eg > 10 GeV  e < 8x10-6 IRC Intermediate Ring Calorimeter Radial coverage in front of LKr 7 cm < R < 14.5 cm SAC Small Angle Calorimeter 24x24 cm Neutral particles escaping through the beam pipe

  28. The photon Veto system • Medium angle (1-10 mrad): the “old” NA48 LKr Calorimeter • Rate: ~8.7 MHz (m) + ~4 MHz (g) + ~4 MHz (p) New Readout Costituisce il “cuore” del sistema dei veto: per decadimenti K+ p+ p0nella zona fiduciale (5<z<65m) e con Ep<35 GeV, i due fotoni delp0sono, nell’82% dei casi, nell’accettanza del LKr e nel resto dei casi, quello di energia maggiore è nel LKr+SAC. Per questo è cruciale conoscere esattamente la sua inefficienza in funzione dell’energia del fotone (in NA48 LKr veniva usato come calorimetro e non come Veto …)

  29. p/m rejection I • RICH (FI, PG, CERN) • Purposes: • p/mseparation between 15 and 35 GeV/c • Event time with resolution of ~100 ps • L0 trigger signals • Full length prototype built and tested at CERN • 0.5 radius • 2 x 1000 PMT • 18 mm pixel size • Nhits ~ 17/event • Dtevent ~ 70 ps • [NIM A 593, 2008] Per maggiori dettagli: vedi presentazione di R. Piandani

  30. p/m rejection II MUON VETO (Mainz-Protvino) MUV1 and MUV2: Iron-scintillator sandwich calorimeters with 24 (MUV1) and 22 (MUV2) layers of scintillator strips. MUV3: Fast trigger signals

  31. TDAQ • A possible scheme…… • 1track× m! × g! →1 MHzL1trigger input → PC farm • Main work on possible solutions for the L0 hardware • TELL-1 board (LHCb) based implementation for all non FADC sub detectors • Design of a new 100 ps TDC daughter-card (RICH, Straws, MAMUD,…) Per maggiori dettagli: vedi presentazione di B. Angelucci

  32. Conclusioni NA62, studiando il decadimento ultrararo del K+ in pi nu nubar, particolarmente “pulito” dal punto di vista teorico, consentirà una verifica importante delle predizioni del MS, avendo altresì molto da dire su una possibile(nuova) fisica oltre il MS ! Lo studio dei mesoni strani K, in passato ha consentito di capire sempre più profondamente il flavour nelle particelle elementari ed in particolare la violazione di CP. Avranno davvero finito di sorprenderci ? K mesons Flavour Physics

  33. Spares

  34. Il detector di NA62

  35. STRAW Prototype results Dubna σ = 61 μm 5 hits for track σ = 136 μm/hit (Ptkick = 260 MeV/c) (mmiss)2 ~ 10-3 GeV2/c4

  36. Kevlar window Magnet Photon beam g e- Electron beam (25 GeV/c) vacuum He Calorimeter Bremsstrahlung Drift chambers Hodoscope The photon Veto system: the LKr Method II: brem photons, to cover the range 2 GeV < Eg< 10 GeV Questi risultati garantiscono per il sistema dei Veto (LKr+SAC+LAV) una inefficienza di reiezione del p0 inferiore a 3×10-8.

  37. Dove siamo oggi con le misure del BR di K+p+ n n

  38. K+→p+ nn: State of the art

  39. K+→p+nn : State of the art hep-ex/0403036 PRL93 (2004) AGS Stopped K ~0.1 % acceptance • BR(K+→ p+ nn ) = 1.47+1.30-0.89 × 10-10 • Twice the SM, but only based on 3 events… Experiment concluded

  40. BR(K0→ p0 nn) < 6.7× 10-8 (90%CL) arXiv:0712.4164v1 (27 Dec 2007) KL→p0 nn: E391a

  41. KLp0nnat J-Parc • Step by step approach • KEK E391a ~O(10-9) • J-Parc Step 1: • Move E391a detector to J-Parc • Search beyond the Grossman-Nir limit (3.5 standard model evts/3e7 sec) • Step 2: Optimize beamline and detector for >100 events

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