Status Report di NA48 ...

1. Status Report di NA48 ... e suo futuro (P-326) ... E. Iacopini CSN1 16/5/05

2.  Violazione diretta di CP in K3 BR(K±±+)=5.57%; BR(K±±00)=1.73%. “charged” “neutral” • Kinematic variables |M(u,v)|2 ~ 1 + gu + hu2+ kv2 Lorentz-invariants u = (s3-s0)/m2; v = (s2-s1)/m2; si = (PK-Pi)2, i=1,2,3 (3=odd ); s0 = (s1+s2+s3)/3 = 1/3 M2 + m2 K±±+g = −0.2154 ± 0.0035 K±±00g = 0.652 ± 0.031 |g| >> |h|, |k| • Measured quantity sensitive to direct CP violation: Centre of mass frame u = 2mK∙(mK/3-Eodd)/m2; v = 2mK∙(E1-E2)/m2. Slope asymmetry: Ag = (g+-g-)/(g++g-)≠0

3. 54 60 66 PK spectra, 603GeV/c BM z 10 cm 200 250 m 1cm 50 100 NA48/2 experimental set-up magnet K+ K+ beam pipe focusing beams K ~71011 ppp K Second achromat • Cleaning • Beam spectrometer Front-end achromat Quadrupole quadruplet Beams coincide within ~1mm all along 114m decay volume • Momentum • selection • Focusing vacuum tank He tank + spectrometer not to scale

4. Data taking: completato ! Risultato preliminare • 2003run:~ 50 days • 2004run: ~ 60 days • Total statistics in 2 years: • K  + −: ~ 4·109 • K  0 0 : ~ 2·108 • ~ 200 TB of data recorded

5. Il metodo sperimentale … In un mondo ideale (trascurando possibili asimmetrie nei parametri “quadratici” h, k) basta proiettare il Dalitz plot sull’asse u, e • Nel mondo reale, però, ci sono anche le asimmetrie indotte dall’apparato: • Asimmetria nelle accettanze • Dipendenza temporale della risposta del detector • Ottica del fascio Charge-dependent • Caratteristiche dei fasci (posizione, etc…) dipendenti dal tempo • Campi magnetici spurî • Interazioni charge-asimmetriche • … se l’accettanza è la stessa per K+ e K−  R(u) = N+(u)/N−(u) ≈ ≈ n∙(1+g+u)/(1+g−u) ≈ ≈ n∙(1+ Δg u) per cui, l’eventuale asimmetria AgΔg/2gpuo’ essere estratta con un fit lineare del rapporto delle due distribuzioni in u .

6. Strategia della presa dati • Spectrometer magnet polarità (B) invertita su base giornaliera • Beam line(achromat)polarità (A) invertita su base settimanale 1 giorno Esempio: dal 6 Agosto al 7 Settembre 2003 Achromat – B+ B- B+ B- B+ B- Week 1 Supersample 1 12 subsamples B+ Achromat + B+ B- B+ B- B- Week 2 B- B- Achromat – B+ B- B+ B+ Week 3 Supersample 2 12 subsamples Achromat + B+ B+ B- B+ B- B- Week 4 B- Achromat – B+ Supersample 3 Week 5 4 subsamples Achromat + B+ B-

7. N(A+B+K+) RUS= N(A+B-K-) N(A+B-K+) RUJ= N(A+B+K-) N(A-B+K+) RDS= N(A-B-K-) N(A-B-K+) RDJ= N(A-B+K-) …in un supersample … le eventuali asimmetrie left-right del detector si cancellano usando i 4 rapporti K+/K seguenti Spectrometer field Y (stessa deviazione dallo spettrometro nel numeratore e nel denominatore) X Beam line: K+Up B+ Jura K+ Z K− B− Saleve Beam line: K+Down • beamline polarity (U / D) • direction of kaon deviation in spectrometer (S / J)

8. …e il resto lo cancelliamo … usando il quadruple ratio: R(u)=n∙(1+4·gu) R = RUS×RUJ×RDS×RDJ Normalization Slope difference Questo è sensibile solo alleasimmetrie left-right dell’apparato sperimentale (detector+fascio), che variano nel tempo temposulla scale di ~1 subsample (1 giorno  3 ore nel 2003) Con questa strategia di misura, avremo infatti Double ratio cancellation ofbeam geometry differenceeffects: K+ and K- both passing through upper (lower) beam line Double ratio cancellation ofrate effects (simultaneous beams): K+ and K− recorded at the same time Double ratio cancellation of anydetector asymmetryeffects: K+ and K- both illuminating same detector regions.

9. K+ K- Selected statistics 2003 Data-taking 2003: 1.61x109 events selected |V| even pion in beam pipe odd pion in beam pipe U

10. Sistematica I Beam geometry Dal MC, la strategia corretta risulta quella per cui l’accettanza geometrica è definita attraverso una “virtual pipe” più larga di quella reale, centrata sulla posizione media dei due fasci, funzione deltempo e del momento del K (larghezze dei fasci ~ 5 mm, soggetti a spostamenti dell’ordine di 2 mm) Spectrometer geometryLe DCH sono soggette a spostamenti dell’ordine delle centinaia di microns durante il run (tre mesi). Questo provoca asimmetrie nella misura dell’impulso fra p+ e p-. L’effetto viene corretto equalizzando via via le masse ricostruite dei K+ e K− Sensitivity to DCH4 horizontal shift: M/x  1.5 keV/m Momentum scale Si riaggiusta via via, imponendo che le masse ricostruite dei K abbiano il valore del PDG: Sensitivity to 10−3 error on field integral:M  100 keV

11. Sistematica II L1 trigger (2 hits nell’odoscopio): stable inefficiency ≈ 0.7·10-3charge-symmetric, piatta in u: no correction L2 trigger (online vertex reconstruction, basata sui dati delle DCH): inefficienza time-dependent (inefficienze locali delle DCH) da 0.2% a 1.8%, charge-symmetric e piatta in u, entro la precisione della misura con triggers di controllo: correzioneu-dependent L2 inefficiency 3x10-3 La correzione introduce un errore statistico a causa della statistica del control sample cut cut

12. Risultati dati 2003 Δg×104(3 analisi independenti) AgΔg/2g = Δg·(-2.321) (Ford 1972)

13. Stabilità del risultato … R(right)/R(left) R(up)/R(down) K(+)/K(-) Dg …il MC riproduce correttamente le asimmetrie dell’apparato … I 4 supersamples danno risultati consistenti Le asimmetrie del rivelatore sono Sotto controllo Le asimmetrie dei fasci sono Sotto controllo

14. Stabilità del risultato … g x10-4 g x10-4 80 40 60 30 40 20 20 10 0 0 -20 -10 -40 -20 -60 -30 -80 -40

15. Risultato preliminare: dati 2003 (CERN Seminar: 1 marzo 2005) Ag = (0.5 ± 2.4stat.± 2.1stat.(trig.) ± 2.1syst.)×10−4 Smith et al. (1975) (“N”) Ag = (0.5 ± 3.8)×10−4 10-2 Ford et al. (1970) (“C”) |Ag| HyperCP prelim. (2000) (“C”) TNF (2004) (“N”) 10-3 NA48/2 • This is a preliminary result, with conservative systematic errors… • The extrapolated final statistical error (2003+2004) is: Ag = 1.6 × 10-4 • 2004 data: we expect smaller systematic effects (more frequent polarity inversion and a better beam steering) N C New physics Hic sunt leones 10-4 New physics 10-5 SUSY SM 10-6

16. ... e un risultato inatteso ... CERN Seminar: 31 marzo 2005

17. Cusp effect... Si tratta di una distorsione (≈ 15%) dello spettro di massa invariante dei due pioni neutri provenienti dal decadimento K± →p±p0p0, sotto la soglia di produzione di due pioni carichi.

18. L’idea iniziale era che, per quel valore di massa invariante ci dovesse essere un piccodovuto alla formazione del pionio e alla sua successiva annichilazione in due p0 … N.Cabibbo (PRL 93,121801, 2004) ha osservato, invece che doveva esserci una struttura più complessa in quello spettro, dovuta alla interferenza fral’ampiezza direttadel decadimento e quella di rescattering.

19. Siccome , il processo con rescattering può avvenire via una coppia virtuale di pioni carichi, sia sotto sogliache sopra la soglia L’effetto di soglia è descritto da un branch-cut nell’ampiezza relativa a quel processo, ovvero, detta s la massa invariante quadra del sistema dei due pioni neutri, si ha dove A(s) e B(s) sono funzioni analitiche che descrivono, rispettivamente, il processo diretto (1) ed il processo con rescattering (2).

20. Nel nostro caso, Cabibbo e Isidori (JHEP03 (2005) 021) dimostrano che risulta dove è l’ampiezza del decadimento del K in tre pioni carichi, quando mentre a0 ed a2 sono, rispettivamente, le lunghezze di scattering in onda S ed isospin I =0,2. La conclusione per noi inattesa è che dalla forma dello spettro di massa invariante dei due pioni neutri nel decadimento K±→p±p0p0 a0 – a2

21. Presente stato dell'arte circa la misura delle pion scattering-lengths ... 1977: Misura di a0 del gruppo Ginevra/Saclay @ 20% 2003: BNL (E875) estrae a0 al 6% misurando i fattori di forma nel Ke4 (K →p p e n) a0 mp = 0.216 ± 0.013(stat) ± 0.002(syst) DIRAC intende misurare la vita media del pionio @10% e quindi, essendo t 40·(a0 – a2)2· 10-15 s  a0 –a2 @ 5% NA48/2 vuole misurare a0 con un’incertezza (stat+sist) da0 0.006, sempre dal Ke4

22. … ma torniamo ai nostri dati ! DATA Posto al solito se assumiamo solo che risulti (PDG) A = 1 + ½ g0 u Fit interval: 0.074 < Moo2 < 0.097 GeV2 c2 = 13574 / 148 d.o.f. Mentre, fittando da 13 bins sopra la cuspide, c2 = 120 / 110 d.o.f.

23. D FIT INTERVAL D≡ (data – fit) /data, versus Moo2

24. D N. Cabibbo: Determination of the a0–a2 Pion Scattering Length from K+ p+ppdecay PRL 93 (2004) 121801 …con un solo loop di rescattering c2= 217 / 147 d.o.f.

25. N. Cabibbo and G. Isidori: Pion – pion scattering and the K 3p decay amplitudes JHEP03 (2005) 021 … e con altri one-loop e two loops diagrams

26. D c2= 156 / 146 d.o.f. Ottimo ! … ma, per caso, c’è qualcos’altro ?

27. D Predizione di formazione del pionio nel decadimento K+ p+p+p- (Z.K. Silagadze, hep-ph/9411382 v2 24 Nov 1994) …Fissando il contributo del pionio al valore predetto dalla teoria: c2= 150 / 146 d.o.f. Rilasciando il contributo del Pionio: 1.7 ± 0.6 (invece di 1.0) c2= 149 / 145d.o.f. … non c’e grande sensibilità al pionio …

28. …Comunque, anche se il pionio non è evidente, per questa strada inattesa, usando la teoria di Cabibbo-Isidori, otteniamo (a0 – a2)m+ = 0.281 ± 0.007 (stat.) Mentre, da una stima preliminare e conservativa della sistematica, risulta: • Escludendo la regione del pionio dall’intervallo di fit 0.008 • Variando la min. distanza fra i fotoni e la particella • carica nel calorimetro a LKr 0.004 • Dalla dipendenza della locazione del vertice di decadimento lungo l’asse del fascio 0.009 • Dalle differenze K+ / K-0.006 TOTALE (sommando in quadratura) 0.014

29. … Concludendo, dal “Cusp effect” (a0 – a2)m+ = 0.281 ± 0.007(stat) ± 0.014(syst) in ottimo accordo con la Teoria, infatti Colangelo et al. (Nucl. Phys. B603 (2001), 125) hanno calcolato, nell’ambito della cPT a due loops, che (a0 – a2) mp = 0.265 ± 0.004 a0 mp = 0.220 ± 0.005 a2 mp = -0.0444 ± 0.0010

30. s d n n Il Futuro: NA48/3  P-326

31. Villars 2004 (NA48-Future presented by A. Ceccucci)

32. From the Villars Report…CERN-SPSC-2005-010SPSC-M-730Febbruary 28, 2005

34. Il segnale Region I Region II

35. Il Detector 1.5 p+ K+ n Fiducial region: 60m dal fin.coll. n 800 MHz (p/K/p) 10 MHz Kaon decays Solo i rivelatori upstream sono esposti a 800 MHz di fascio (≈6% K) …

36. I sottorivelatori previsti ad oggi ... • CEDAR • To tag positive kaon identification • GIGATRACKER • To track secondary beam before it enters the decay region • ANTICOUNTERS • Photon vetoes surrounding the decay tank • Wire Chambers • Wire chambers to track the kaon decay products • RICH • Ring image Cerenkov, to help in disantangling muons from pions • CHOD • Fast hodoscope to make a tight K- pi time coincidence • LKR • Forward photon veto and e.m. calorimeter • MAMUD • Hadron calorimeter, muon veto and sweeping magnet • SAC and CHV • Small angle photon and charged particle vetoes

37. Accettanza K+ momentum: (75.0 ± 0.8) GeV/c 80 events/year !! But populated by 3 body decays 4×1012 decays/year @ BR = 10-10 16 events/year

38. K+→ p+n n (BR≈ 8.0 × 10-11) • Veti il più possibile ermetici e misure ridondanti • sono una necessità assoluta ! • … comunque, l’alta energia dei K li semplifica … ... La competizione con il segnale 63 % 21 % 6 % 2 % 3 % 5 % m+n p+p0 p+p+p- p+p0p0 p0m+n p0e+n Veto cinem. acc.% bck. 5.10-6 2.10-6 30 8 (<1) 3.10-7 2.10-5 20 ~1 10-6 2.10-5 15 ~1 <10-8 2.10-5 15 <<1 No problem <<1 se e/p < 10-3 <<1 Soppressione: m PID, kinematics gveto, kinematics CHV, kinematics g veto, kinematics (called K+m3) g veto, m PID (called K+e3) g veto, E/P

39. La Collaborazione Al momento, le Istituzioni che si stanno impegnando nella proposta sono: CERN Dubna, Protvino, Mosca INFN(Fe, Fi, Na, Pg, Pi, To, Rm1) Mainz Merced Saclay Sofia

40. ... e se son J. EngelfriedMexico (S.Luis Potosì) P. Cooper letterFermilab R. TschirhartFermilab V. P. Obraztov IHEPProtvino V.A. Matveev INRMosca

41. La Collaborazione italiana Le Responsabilità: Fe+To (+CERN) → Gigatracker Fi+Pg → Charged hodoscope Pi+Na +Rm1 → Anticounters (veto g) Pi (+CERN+altri) → Trigger

42. ... cosa fanno gli altri ... MAMUD (CERN+Protvino) CEDAR (CERN+ Pi + To) DCH a straw tubes (Mainz+Dubna) KABES (Saclay) FASCIO (CERN) SAC+CHV (Sofia+INR) RICH

43. MAMUD • To provide pion/muon separation and beam sweeping. • Iron is subdivided in 150 2 cm thick plates (260  280 cm2 ) • Four coils magnetise the iron plates to provide a • 0.9 T dipole field in the beam region • → 4.8 T m of bending power • Active detector: • Strips of extruded polystyrene scintillator • (1 x 4 x130 cm3) • Light is collected by WLS fibres 1.2 mm diameter Pole gap is 11 cm V x 30 cm H Coils cross section 15cm x 25cm

44. CEDAR • Cerenkov differential counter • Highly parallel beam K/p Cedar-W Cedar-N

45. DCH 4 viste per 6 DCH: 1792 straws/DCH Straw 2.3m, Ø9.6 mm Kapton films 12mm+25mm Lavoreranno in vuoto ! Perdita di accettanza dovuta al foro centrale: <10%

46. LKr ... • Must achieve inefficiency < 10-5 to detect photons above 1 GeV • Advantages: • It exists • Homogeneous (not sampling) ionization calorimeter • Very good granularity (~2 2 cm2) • Fast read-out (Initial current, FWHM~70 ns) • Very good energy (~1%, time ~ 300ps and position (~1 mm) resolution • Disadvantages • 0.5 X0 of passive material in front of active LKR • The cryogenic control system needs to be updated

47. SAC PbWO4 crystals (CMS) • Dimension of crystals 2x2x23 cm3 • 7 x 7 cm matrix • ~ 25 X0 • Readout with light guides and PMT

48. P-326: una stima dei costi (CHF) ...

50. Il contributo INFN prevedibile per la costruzione dei sottorivelatori di nostra responsabilità Gigatracker 0.7-1.0 M€ (assumendo 50% sharing) Anticounters 2.8-3.4 M€ Chod 0.5–0.7 M€ Trigger 0.5-0.8 M€ (assumendo 40% sharing) TOTALE 4.5-5.9 M€ (Nella proposta sono quotati 7.2 MCHF = 4.8 M€ )