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Mauro Piccini INFN Perugia Perugia – 30 Marzo 2011

Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard. Mauro Piccini INFN Perugia Perugia – 30 Marzo 2011. Sommario. Breve introduzione Il sistema de mesoni K e la violazione di CP Decadimenti rari dei K nel Modello Standard e oltre L’esperimento NA62

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Mauro Piccini INFN Perugia Perugia – 30 Marzo 2011

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  1. Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard Mauro Piccini INFN Perugia Perugia – 30 Marzo 2011

  2. Sommario • Breve introduzione • Il sistema de mesoni K e la violazione di CP • Decadimenti rari dei K nel Modello Standard e oltre • L’esperimento NA62 • Il nuovo apparato sperimentale per la misura di BR(K+p+nn) • NA62 fase I: la misura di RK = Γ(K±→e±ν) / Γ(K±→μ± ν) • Attività del gruppo di Perugia • Il RICH (Ring Imaging CHerenkov detector) di NA62 • Test su prototipi al CERN e a Perugia • Il read-out del RICH, contributo al trigger di NA62 _ 2

  3. Mixing di quark nello SM • Per i quark glistatidimassa non corrispondonoagliautostatidisapore • Matrice CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) : • Elementidiagonali non nulli • Violazione del sapore • (angolodiCabibbo, GIM) • Con 3 (o più) famigliedi quark: •  Violazionedi CP nello SM C= operatore carica, inverte la carica dello stato P= operatore parità, inverte le coordinate spaziali Imponendol’unitarietàdellamatrice CKM: Nf=2 Nfasi= 0 No Violazionedi CP Nf=3 Nfasi= 1 Violazionedi CP possibile 3

  4. Violazione diretta di CP L’origine della violazione di CP può essere imputata all’interazione debole nell’ambito del Modello Standard oppure si può introdurre una nuova interazione ad hoc (teoria superdebole) Uno dei sistemi ideali per studiare la violazione di CP è quello dei K neutri _ _ _ Definendo gli autostati di sapore come K0=sd e K0=ds, gli autostati di CP sono: Decade in 2p per conservare CP (vita media corta) Decade in 3p per conservare CP (vita media lunga) Già nel 1964 evidenza sperimentale di violazione di CP, ridefinizione degli autostati di massa: Nell’ambito del Modello Standard è prevista l’esistenza della violazione diretta di CP, la componente a vita media lunga K2 decade in 2p 4

  5. NA48 Violazione diretta di CP nei decadimenti dei K neutri Re(e’/e) = (14.7 ± 2.2) x 10-4 Misura di parametri di Violazione di CP NA48 NA48/1 Decadimenti rari del KS, prima osservazione e misura del BR di KS p0e+e- e KS p0m+m- NA48/2 Ricerca di violazione diretta di CP nei decadimenti K±→ 3p Misura delle lunghezze di scatteringpp 5

  6. Decadimenti rari di K CP VtdV*tb VudV*ub Sensitive to |Vtd| VcdV*cb KL→π0μ+μ– Le relazioni per l’unitarietà della matrice CKM possono essere espresse in termini di triangoli nel piano complesso; a questo scopo conviene usare la parametrizazione di Wolfenstein: Vus ~lVcb ~ l2 A Vub ~ l3 A(r- ih) Vtd ~ l3 A(1-r- ih) Ci sono sei relazioni da soddisfare per l’unitarietà, e quindi sei triangoli, in particolare: VudV*ub + VcdV*cb + VtdV*tb = 0 Golden modes lt = Vtd V*ts Im lt = A2l5h Re lt = A2l5r 6

  7. _ Il decadimento K+p+n n Nell’ambito dello SM il processo è descritto con diagrammi a un loop definiti diagrammi a pinguino: BR(K+p+n n)  (1.6×10-5)|Vcb|4[sh2+(rc-r)2]  (8.5 ± 0.7)×10-11 Nel calcolo teorico del BR, le incertezze dovute all’elemento di matrice adronico vengono inglobate in un termine già ben misurato - BR(K+p0e+n) - la restante parte dell’errore teorico deriva dai parametri della matrice CKM: _ • Decadimento sensibile a nuova fisica oltre lo SM, si possono testare indirettamente scale fino a Λ~100 TeV (complementare rispetto a LHC); molte le teorie in cui è previsto un BR maggiore: • Minimal Flavour Violation (MFV) • Minimal Supersymmetric extension of SM (MSSM) • Light Higgs Theory (LHT) 7

  8. Stato dell’arte Due esperimenti a BNL (Brookhaven National Laboratory-USA) dal 1997 al 2004, 7 candidati identificati in totale (di cui 4 compatibili con il fondo): • K+ fermati su un bersaglio circondato dal rivelatore • Accettanza molto bassa, ~ 0.1% Compatibile con lo SM _ BR(K+→ p+ nn) = (1.73+1.15-1.05)× 10-10 Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 191802 8

  9. L’esperimento NA62 Collaborazione NA62 Bern ITP, Birmingham, Bristol, CERN, Dubna, Ferrara, Fairfax, Firenze, Frascati, Glasgow, IHEP, INR, Liverpool, Louvain, Mainz, Merced, Napoli, Perugia, Pisa, Roma I, Roma II, San Luis Potosi, SLAC, Sofia, TRIUMF, Torino 9

  10. Schema del rivelatore • DecadimentidiKaoni in voloda un fascio “non separato” a 75 GeV/c, prodottoda un fasciodiprotoni a 400 GeV/c estrattodall’SPScontro un bersagliofissodiberillio (fascio a ~800 MHz, ~6% kaons) • Le particelle non decaduteviaggianoneltubo a vuotocentrale • Goal:misuradiO(100)eventi in 2 annidipresadatiriducendol’erroresistematicofino al livellodiqualche % 10

  11. Tecnica di misura • Rispetto a un esperimento con decadimentida K fermi: • Vantaggi: • Piùfacile rivelarefotonidadecadimentidifondo • Più facile averefasci ad altaintensità • Svantaggi: • Rivelatoree regionedidecadimentodigrandi • dimensioni • Necessitàdimisurarel’impulsodiogni K • Fascio non separatodiadroni • Puntichiave: • Reiezionecinematica • Veto • Trigger ad alteprestazioni • Identificazionedelleparticelle (PID) • Segnaledifficiledaidentificare e raro: BRSM=8x10-11 • Potenzialmentealtacontaminazionedaaltridecadimentidi K 11

  12. Reiezione cinematica /I 92% del fondo cinematicamente separabile dal segnale La variabilefondamentale è la massamancante, utilizzata per definire due regionidisegnalepocopopolatedalfondo • Estremamenteimportanteaverebuonarisoluzionenellaricostruzionedellamassamancante • Necessariomisuraresial’impulso del kaonechequello del pione • Ridurreilmateriale (specialmentenellazonadellospettrometromagnetico) per minimizzare lo scattering multiplo 12

  13. Reiezione cinematica /II Il Gigatracker: 18000 pixel, rate di 150 kHz per ognisingolo pixel nellazonacentrale • Misuradell’impulso in un fascio ad alta • intensità→ 3 stazioniinserite in un • sistemadidipoli • Rivelatore sottile→200 mmdispessore per • i pixel e 100 mmper il chip del readout • chip (<0.5% X/X0 per stazione) • Ottimarisoluzionetemporale per stringere • le finestredicoincidenza con glialtri • rivelatori→risoluzionetemporaleminore • di 200 psraggiunta in test giàeffettuati 13

  14. Reiezione cinematica /III Spettrometromagneticofunzionante in vuoto per ridurre lo scattering multiplo 4 camerecon 4 viste(pianiditubi) (ridondanza) MagnetePtkick= 256 MeV/c Tubi a straws lunghi2.1 m, fattidimylarspesso9.6 mm(<0.1% X/X0per vista) Forocentrale per far passare le particelle non decadute del fascio (raggio 6 cm) Prototipigiàtestati al CERN nel 2007 e nel 2010 s(Pp)/Pp~ 0.3%0.007%*Pp (GeV/c) s(dX/dZ)/(dX/dZ)~ 45-15 mrad 14

  15. Veto e PID 8% di decadimenti dei K (potenziale fondo) non è cinematicamente separabile dal segnale (+ code di risoluzione) La reiezione di questi decadimenti si basa esclusivamente sui sistemi di veto e sulla PID • Richieste per ilsitemadi veto: • Grandiangoli (8.5-50 mrad): inefficenza<10-4 • Angoliintermedi (1-8.5 mrad): inefficienza<10-5 • Angolipiccoli (<1 mrad): inefficienza<10-3 • Richieste per la PID: • Identificazionedei K nelfascioiniziale prima del lorodecadimento • Separazionep-m: probabitàdierrore id IDminoredi 10-2 15

  16. Veto a largo angolo (LAV) 12 stazioni(ad anello) lungo la regionedidecadimento (in vuoto) Pienacoperturaangolarefra8.5 e 50 mrad I vetri-pimbo del calorimetrodell’esperimentoOPALsonostatiriutilizzati Piudi2500 cristalli(canali) in totale • Blocchicontrollati e testati a Frascati: • inefficienza< 10-4 per positroni a 476 MeV • risoluzionetemporaledi700 ps • 3 anelligiàcostruiti 16

  17. Veto ad angoli intermedi • Fra1.5 e 8 mradvieneriutilizzattoilvecchiocalorimetroelettromagnetico a kriptonliquidodi NA48 • Piùdi 13000 celle quasi omogenee (pocomaterialepassivo) • 27 lunghezzediradiazione X0 • Ottimarisoluzionenellamisuradell’energia • Ottimarisoluzionetemporale (200 ps) • Read-out completamentenuovo con ADC a 14 bits 40 MHz Le prestazioni come rivelatore in veto sono state misurate con un presadatidedicataed un fasciodi K a 75 GeV 17

  18. Veto a piccoli angoli • Tre piccoli rivelatori fanno parte di questa categoria: • CHANTI: Posizionato dopo l’ultima stazione del Gigatracker per rivelare particelle provenienti da interazioni del fascio nei collimatori e nel Gigatracker stesso • IRC: Per rivelare i fotoni in prossimità del tubo a vuoto dove passano le particelle del fascio non decadute, posizionato prima dell’LKr • SAC: Posizionato alla fine dell’aria sperimentale, per rivelare i fotoni che passano attraverso il foro centrale dell’LKr Per tutti e tre i rivelatori la ricerca e lo sviluppo sono in fase avanzata, alcuni prototipi sono già stati prodotti 18

  19. PID dei K del fascio Scopo:Identificazione del Kaonenelfascio non separato per associarlotemporalmenteaiprodottididecadimentorivelati a valle. Questopermettedirilasciare le condizionisullo scattering multiplonel gas residuopresentenellazonadidecadimento ( è sufficienteottenere un vuoto a livellodi10-5 mbar). • Tecnica:Rivelatore Cherenkov differenziale (ilradiatore e H2) • Riutilizzabileun vecchiorivelatorecostruito al CERN neglianni ’70 • Nuovo readout (fotomoltiplicatori e elettronicadilettura) • Nuovosistemadispecchideflettori per diminuireil rate sulsingolo • canale in lettura 19

  20. Identificazione di m Dopoilcalorimetroelettromagneticocisonodeiblocchidiferroaiqualisopravvivono solo im MUV1-2:Identificanoilmuone e contribuisconoallareizionedidecadimenti con mnelostato finale (assieme al RICH) MUV3:Identificazionevelocedeim a scopidi trigger, modulidiscintillatore con superficie 22x22 cm2 lettida 2 PM Risoluzionetemporalemiglioredi 1 ns giaraggiunta in test sufascio MUV 3 MUV 1-2 LKr 20

  21. Trigger e acquisizione dati • L0: Trigger hardware, scelta basata su segnali veloci prodotti dai sistemi di lettura • L1: Trigger software basato sulle informazioni provenienti da singoli rivelatori • (più dettagli, migliori risoluzioni) • L2: Trigger Software basato sui dati di tutti i rivelatori (informazioni correlate) 10 MHz RICH MUV CEDAR STRAWS LKR LAV 1 MHz 1 MHz L0TP 1 MHz L0 PC PC PC PC PC PC L1 GigaEth SWITCH L2 PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC O(KHz) L0 trigger PC PC PC PC CDR EB Trigger primitives Data 21

  22. NA62: proiezioni • 4.8·1012decadimenti per anno (ragionevole, circa 4 mesidipresadati) • flussox50rispetto a NA48 (con la stessaintensitàdiprotonidall’SPS) • reiezionep0a livellodi2·108 • Accettanza per ilsegnaleO(10%) • Assunzione: 100%efficienzadi trigger 22

  23. NA62 fase I • Test dell’Universalità Leptonica e • dell’accoppiamento V-A • Predizione accurata del Modello Standard: RK = = (2.477 ± 0.001)  10-5 V. Cirigliano, I. Rosell (JHEP 0710, 2007, 005) • RK e SUSY: • Masiero, Paradisi, Petronzio • (hep-ph/0511289 PRD74,2006) • violazioni supersimmetriche del sapore leptonico (SUSY LFV) possono modificare il valore di • Rkdel 2-3 % RKSUSY = RKSM · (1+RSUSY) con |RSUSY| ~ 2-3% Definizione di RK=Γ(K±→e±ν) / Γ(K±→μ± ν) Misura con parte dei dati raccolti nel 2007 ad hoc: Phys.Lett.B698:105-114,2011 In accordo con lo SM 23

  24. Il RICH di NA62 Per ridurre il fondo del decadimento K+ m+na livello del % rispetto al segnale e necessario un fattore di soppressione 10-12, fattore raggiungibile se oltre alla cinematica e al MUV (già visti) si utilizza un RICH (Ring ImagingCherenkov detector) . La costruzione e il funzionamento del RICH di NA62 sono sotto la responsabilità dei gruppi di Perugia (G. Anzivino, P. Cenci, E. Marinova, M. Pepe, R. Piandani, M. P.) Il RICH sarà determinante anche nella decisione del trigger di primo livello (hardware) per decidere se gli eventi saranno acquisiti (trigger di molteplicità). Inoltre misurerà il tempo di transito dei prodotti di decadimento carichi da associare ai K carichi tracciati nel Gigatracker e identificati nel CEDAR 24

  25. Principio di funzionamento Il RICH rivela i fotoni prodotti per effetto C. da particelle cariche che viaggiano in un mezzo a velocità maggiori della luce nel mezzo stesso. L’angolo di emissione di tali fotoni rispetto alla direzione della particella può essere messo in relazione alla velocità della particella stessa. Il RICH permette di misurare l’angolo Cherenkov dei fotoni emessi e quindi la velocità della particella tramite la ricostruzione dell’anello che si ottiene se si rivelano i fotoni nel piano focale di uno specchio sferico che li ha riflessi. Se si misura indipendentemente l’impulso della particella (con uno spettrometro) si può risalire alla massa della particella e quindi identificarla. 25

  26. Vessel: ~18 m long, ~3.7 m diameter Mirror Mosaic 17 m focal length 2 x ~1000 PMT Beam Beam Pipe Schema Filledwith Neon 26

  27. Caratteristiche del RICH Mezzo radiatore: Neon a pressione atmosferica • (n-1) = 62.8 x10-6a =300 nm (bassa dispersione) • basso peso atomico  X0 piccola  riduzione dello scattering multiplo • p2soglia = m2/(n2-1) =(12 GeV/c)2per  Specchi: Forma esagonale • inscritti in cerchio di diametro 70 cm • 17 m di lunghezza focale, 18 specchi + 2 semi-esagonali al centro Fotomoltiplicatori: Hamamatsu R7400 U03 Collettori di luce:Coni di Winston • 18 mm di diamentro 27

  28. Prototipi del RICH Prototipo RICH-100: • 96 PM Hamamatsu R7400 U03/U06 • Misura risoluzione temporale e scelta PM Prototipo RICH-400: • 414 PMT Hamamatsu R7400 U03 • Misura della separazione p-m 2 prototipi testati su fascio nel 2007 (RICH-100) e nel 2009 (RICH-400); utilizzato sempre lo stesso cilindro lungo ~18 m e di diametro ~60 cm riempito con Ne a 1 atm. Provati 2 specchi con f=17 m, d=50 cm, e spessore 2.5 cm 28

  29. Risultati del test 2009 Raggio anello Illuminazione PM @15 GeV e @15 GeV @35 GeV “m” p Il “µ” @ 15 (35) GeV/c in realtà è un π@ 20 (46.2) GeV/c Fattore di soppressione integrato per m: ~0.7% Risoluzione temporale 29

  30. Attività recenti sul RICH I test del 2007 e del 2009 hanno evidenziato che le prestazioni necessarie per il RICH di NA62 sono raggiungibili e che la tecnica di costruzione è adeguata allo scopo e fattibile. Nucl. Instrum. Meth. A 593 (2008) 314. Nucl. Instrum. Meth. A 621 (2010) 205. • Attualmente, per quanto riguarda il gruppo di Perugia, il lavoro prosegue sui seguenti argomenti: • Analisi di parte dei dati del test del 2009 • - Effetti di contaminazione del Neon • - Riflettività dei coni di Winston • Completamento e ottimizzazione del Monte-Carlo di NA62 • - Librerie per la simulazione veloce del RICH • - Simulazione completa del LKr • Studi sul funzionamento dei fotomoltiplicatori immersi nel Neon • Implementazione del Read-out del RICH e della parte di Trigger basata sul RICH • Test e caratterizzazione dei fotomoltiplicatori 30

  31. PM immersi nel Neon Configurazione base: La finestra di quarzo (incollata alla flangia) garantisce la separazione fra il Ne nel cilindro e l’aria nella zona dei PM. Tuttavia la presenza della finestra introduce due riflessioni parziali, riducendo di circa il 10% il numero di fotoni che raggiungono i PM. • Nuova configurazione: • I PM sono immersi nel Neon, la separazione fra Ne e aria è garantita da un feed-through che garantisce anche la connessione elettrica fra partitore e PM. • Da provare: • Tenuta • Assenza di scarica (200V fra 2 mm in Ne) 31

  32. Il separatore Essenziale il contributo dell’officina meccanica e del laboratorio di elettronica per la preparazione e la realizzazione dei componenti utilizzati nelle verifiche in laboratorio Durante i test di tenuta preziosa la collaborazione del Prof. Sacchetti 32

  33. Risultati La realizzazione di un separatore che garantisca la purezza del Ne è possibile. Tuttavia con i PM immersi nel Neon sono state misurate scariche già a 700 V (punto di lavoro a 900 V). Lasciando contaminare il Neon dall’aria le scariche iniziano già a partire da 500 V. 33

  34. La catena di readout Nel nostro laboratorio abbiamo implementato (in scala, 24 canali rispetto ai 2000 finali) l’intera catena di read-out del RICH TDC Scheda gestione dati PC di acquisizione Distributore HV Preamplificatori Discriminatori HV Flangia PM Generatore del clock Camera contenimento del laser 34

  35. Risoluzione temporale PM Il sistema permette di verificare le risoluzioni temporali e le efficienze dei 2000 fotomoltiplicatori che saranno utilizzati nel RICH 35

  36. TELL1/TEL62 E’ il cuore del sistema di lettura e di trigger Carte con TDC CPU (linux SLC4) 4 porte Gb FPGA (FieldprogrammableGateArray) Per la gestione dei dati provenienti dai TDC FPGA per la gestione dati 36

  37. TEL62 • Tell1  sviluppata per LHCbNuclInstrumMethA 560 (2006) 494. • Tel62 nuova versione per NA62: • + unità logiche nelle FPGA (a parità di connessioni) • memorie DDR2 per la scrittura temporanea dei dati più capienti Oltre a gestire la ricezione dei tempi misurati dai TDC, provvede al riordino e all’impacchettamento dei dati e alla loro spedizione ai PC di acquisizione attraverso le porte Gbit ethernet. Nelle FPGA saranno implementati algoritmi di selezione veloci che contribuiranno al trigger di livello 0 (L0) dell’intero esperimento 37

  38. Work in progress! 38

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