lesperimento na48 e. iacopini: bologna 24 marzo 2005 …passato presente futuro …
TRANSCRIPT
L’esperimento
NA48
E. Iacopini: Bologna 24 Marzo 2005E. Iacopini: Bologna 24 Marzo 2005
…Passato
Presente
Futuro …
’’0 0
0 0
( )
( )
( )
( )
RL
S
L
S
K
K
K
K
1 6Re( '/ )
NA48 detectorNA48 detector
Main detector components:
• Magnetic spectrometer (4 DCHs): redundancy redundancy high efficiency; high efficiency; ΔΔp/p = 1.0% + 0.044%*p [GeV/c]p/p = 1.0% + 0.044%*p [GeV/c]
• Hodoscope fast trigger;fast trigger; precise time measurement (150ps).precise time measurement (150ps). • Liquid Krypton EM calorimeter (LKr) High granularity, quasi-High granularity, quasi-homogeneous;homogeneous; ΔΔE/E = 3.2%/√E + 9%/E + 0.42% E/E = 3.2%/√E + 9%/E + 0.42% [GeV].[GeV].
• Hadron calorimeter, muon veto counters, photon vetoes.
Beam pipe
’’// Not in scale !Not in scale !
NA48: NA48: CP CP
violationviolation
4
0 0
εRe (14.7 2.2) 10
ε
( 5 di )LM K
R
KKe3e3 Charge Asymmetry Charge Asymmetry
L stat systδ (e) = (0.3317±0.0070 ±0.0072 )%
L
( ) ( )( )
( ) ( )L L
L L
K e K ee
K e K e
6
3
... 210 10
!e
basato su
decadimenti K osservati
NA48/1: HI KsNA48/1: HI Ks
rare decaysrare decays
55×10×1010 10 ppp @4.2 mrad, ppp @4.2 mrad, ≈ ≈ 40 kHz di flusso di K40 kHz di flusso di KSS
≈ ≈ 66×10×1010 10 KKS S decays ... decays ...
(>10(>10 times the world stat. times the world stat.))
× × 500500
CP
-Vio
lati
on
holy grail.. NA48/3
Vtd
VVudud V V**ubub +V +Vcdcd V V**
cbcb + V + Vtdtd V V**tbtb = 0 = 0
VV**ubub + V + Vtd td ≈≈ VV**
cbcb
Vud Vus Vub
Vcd Vcs Vcb
Vtd Vts Vtb
=
1-λ2/2 λ A λ3(ρ-ίη)
-λ 1- λ2/2 Aλ2
A λ3(1-ρ-ίη) -A λ2 1dove λ=sin(θCabibbo) ~ 0.220; A ~ ρ ~ η ~ 1
ed è la quantità immaginaria η che descrive la violazione di CP
V*ub
0LK e e
La La PT prevede che questo decadimento origini da tre diverse ampiezzePT prevede che questo decadimento origini da tre diverse ampiezze
02
0 * * 01 2
1
03 2
( )
( )
( )
A C
A CPV
PVdir K e
i
A C
nd K
e
e
PC K e e
e
2 12 22 3
24 4
| | 10 15.3
6.8 Im( 10 2.8 10)
( )
( I ( )) m
s
s t t
aA A BR
a
(CP (CP ≈ ≈ -1)-1) (CP ≈ +1)(CP ≈ +1)
Indirect CPVIndirect CPV ee++
ee--
0 2.8 9S 2.3BR(K π e e ) 5.8 (stat) 0.3(syst) 0.8(theor) 10
6 events found in the signal region with a background of 0.226 events found in the signal region with a background of 0.22+0.19+0.19-0.12-0.12
0 1.5 9S 1.2BR(K π μ μ ) 2.9 (stat) 0.2(syst) 10
NA48/1
0.260.21
0S
9 2
BR(K π
|
e e )
5.2 10
| 1.06 0.07s
sa
a
0.380.32 | | 1.55 0.05sa
i K carichii K carichi
Violazione diretta di CP in KViolazione diretta di CP in K33
|M(u,v)|2 ~ 1 + gu + kv2
Kinematic variablesKinematic variables
Lorentz-invariantsu = (s3-s0)/m
2;
v = (s2-s1)/m2;
si = (PK-Pi)2, i=1,2,3 (3=odd );
s0 = (s1+s2+s3)/3 = 1/3 M2 + m2
Centre of mass frame
u = 2mK∙(mK/3-Eodd)/m2;
v = 2mK∙(E1-E2)/m2.
Measured quantity Measured quantity sensitive tosensitive to
direct CP violation:direct CP violation:
Slope asymmetry:
Ag = (g+-g-)/(g++g-)≠0
BR(K±±+)=5.57%; BR(K±±00)=1.73%.““charged”charged” ““neutral”neutral”
NA48/2 NA48/2 experimental set-upexperimental set-up
1cm
50 100
10 cm
200 250 m
He tank+ spectrometer
Front-end achromat
• Momentum selection
Quadrupole quadruplet
• Focusing
Second achromat
• Cleaning• Beam spectrometer
~71011
ppp
K+
K
Beams coincide within ~1mm
all along 114m decay volume
focusing beamsfocusing beams
BM
z
magnet
vacuum tank
not to scale
K+
K
beam pipebeam pipe
PK spectra, 603 GeV/c
54 60 66
Dalitz plotDalitz plot
U
|V|
even pionin beam pipe
Data-taking 2003: 1.61x101.61x1099 events selected
odd pionin beam pipe
KK++
KK--
R = U(R = U(K+K+) / U() / U(K-K-))
= r (1+= r (1+gg··U)U)
AAgg measurement measurement (acceptance cancellation)
Physical asymmetriesPhysical asymmetries::
AASS → → slope of ratio U(slope of ratio U(KK+ + B+B+) / U() / U(KK- - B-B-))
AAJJ → → slope of ratio U(slope of ratio U(KK+ + B-B-) / U() / U(KK- - B+B+))
Z a
xis
(b
eam
dir
ect
ion)
Sale
ve
Jura
X axis
Top view of the setup
Apparatus-induced asymmetries: A+ → slope of ratio U(K+ B+) / U(K+ B-) A → slope of ratio U(K- B+) / U(K- B-)
ASJ = (AS+AJ)/2 g = Ag 2g true asymmetry true asymmetry
AA±± = ( = (AA++ ++AA)/2 = ()/2 = (AASS--AAJJ)/2)/2
asymmetry induced by the experimental setupasymmetry induced by the experimental setup
Asymmetry vs. PAsymmetry vs. PKK (1 month ’03 data):
Statistical error of A : 2,7.10-4 Statistical error of Ag: 4.8*10-4
2/ndf 6/11
ASJ + offset = 0 ± 0.21*10-3
2/ndf 6.7/11
A = (0.13 ± 0.17)*10-3
K±±+-
PK, GeV/c PK, GeV/c
AS+offsetAJ+offset
A+
A-
(AS+AJ)/2 + offset
(A++A-)/2
AAgg =A =ASJSJ/2g =A/2g =ASJSJ * 2.304, essendo g = -0.217 * 2.304, essendo g = -0.217±0.007±0.007
Risultato preliminare: dati 2003 Risultato preliminare: dati 2003
Slope difference:Slope difference:Δg = (-0.2±1.4stat
±0.9syst.)x10-4
= (-0.2±1.7)x10-4
Charge asymmetry:Ag = (0.5±3.1stat.±2.1syst.)x10-
4
= (0.5±3.8)x10-4
• Extrapolated stat. error 2003+2004: Ag≈2x10-4;
Stabilità del risultato …Stabilità del risultato …
0
10
20
30
40
-10
-20
-30
-40
g x10-4
0
20
40
60
80
-20
-40
-60
-80
g x10-4
+K
Predizione (CKM Workshop): BR(K+ → ) = 8.0 ± 1.1 × 10-11
Sono attesi miglioramenti nel calcolo NNLO : 7% 4 % error (Buras)
KK++→→++
220
411
2242
32
)(109.8
||||sin2
)()(
A
XXV
KBKB
lcctt
usW
eSD
• L’ elemento di matrice adronico può essere estratto dal ben misurato Ke3: K+→ 0 e+ • Non ci sono contributi “long distance” all’ampiezza
QCD NLOBuchalla,Buras 1999
KK++→→++ : Stato dell’arte: Stato dell’arte
BR(K+ → + ) = 1.47+1.30-0.89 × 10-10
•Twice the SM, but only based on 3 events (→2.4) …
hep-ex/0403036 PRL93 (2004)
Stopped K~0.1 % acceptance
AGS
Beam:Beam:
Present K12Present K12
(NA48/2)(NA48/2)New HI KNew HI K++
> 2006> 2006Factor Factor
wrt 2004wrt 2004
SPS protons per pulseSPS protons per pulse 1 x 101 x 101212 3 x 103 x 101212 3.03.0
Duty cycle Duty cycle (s./s.)(s./s.) 4.8 / 16.84.8 / 16.8 1.01.0
Solid angle Solid angle ((sterad)sterad) 0.400.40 1616 4040
Av. KAv. K++momentum <pmomentum <pKK> > (GeV/c)(GeV/c) 6060 7575 Total : 1.35Total : 1.35
Mom. band Mom. band RMS: RMS: ((p/p in %)p/p in %) 44 11 ~0.25~0.25
Area at KABESArea at KABES (cm (cm22)) 7.07.0 2020 2.82.8
Total beam per pulse (x 10Total beam per pulse (x 1077)) per Effective spill lengthper Effective spill length (MHz) (MHz)
/ … / cm/ … / cm2 2 (KABES) (MHz)(KABES) (MHz)
5.55.51818
2.52.5
250250800800
4040
~45 (~27)~45 (~27)~45 (~27)~45 (~27)
~16 (~10)~16 (~10)
Eff. running time / yr Eff. running time / yr (pulses) (pulses)
3.1 103.1 1055 3.1 * 103.1 * 1055 1.01.0
KK++ decays per year decays per year 1.0 101.0 101111 4 * 104 * 101212 4040
Possible new high-intensity K+ beam for ‘NA48/3’ (K+→)
Region IRegion I
Region IIRegion II
10 MHz Kaon decays
800 MHz(/K/p)
… But only the upstream detectors see the 800 MHz beam …
not in scale …not in scale …
Regione IRegione I Regione IIRegione II
P = [15- 35] P = [15- 35] GeV/cGeV/c
(2.78 (2.78 ± 0.02)± 0.02) × × 101022
(14.8 (14.8 ± 0.1)± 0.1) × × 101022
P = [10 - 40] P = [10 - 40] GeV/cGeV/c
(3.92 (3.92 ± 0.02)± 0.02) × × 101022
(21.7 (21.7 ± 0.1)± 0.1) × × 101022
2 2 20. 0.01 ( / )missm GeV c
16 events/year
80 events/year !!
But populated by3 body decays
4×1012 decays/year@ BR = 10-10
2 2 20.026 0.068 ( / )missm GeV c
KK++ momentum: (75.0 momentum: (75.0 ±± 0.8) GeV/c 0.8) GeV/c
KK++→ → ++ ( (BRBR≈≈ 8.0 × 10 8.0 × 10-11-11 ))
63 % 63 %
21 %21 %
6 %6 %
2 %2 %
3 % 3 %
5 %5 %
Soppressione:Soppressione:PID, kinematicsPID, kinematics
veto, kinematicsveto, kinematics
CHV, kinematicsCHV, kinematics
veto, kinematicsveto, kinematics
(called (called KK++33) ) veto, veto,
PIDPID
(called (called KK++e3e3) ) veto, E/P veto, E/P
ee
• Veti il più possibile ermetici e misure ridondanti sono una necessità assoluta !
… comunque, l’alta energia dei K li semplifica …
Veto cinem. acc.% bck.Veto cinem. acc.% bck. 5.105.10-6 -6 2.10 2.10-6 -6 30 8 (<1) 30 8 (<1) 3.103.10-7-7 2.10 2.10-5 -5 20 20 ~1~1 1010-6-6 2.10 2.10-5 -5 15 15 ~1~1 <10<10-8-8 2.10 2.10-5 -5 15 <<1 15 <<1 No problem <<1No problem <<1 se e/se e/ < 10 < 10-3-3 <<1 <<1
CEDAR CEDAR To tag positive kaon identification
GIGATRACKER GIGATRACKER To track secondary beam before it enters the decay region
ANTICOUNTERSANTICOUNTERS Photon vetoes surrounding the decay tank
Wire Chambers Wire Chambers Wire chambers to track the kaon decay products
RICHRICH Ring image Cerenkov, to help in disantangling muons from pions
CHOD CHOD Fast hodoscope to make a tight K- pi time coincidence
LKR LKR Forward photon veto and e.m. calorimeter
MAMUD MAMUD Hadron calorimeter, muon veto and sweeping magnet
SAC and CHVSAC and CHV Small angle photon and charged particle vetoes
The NA48 Liquid Krypton The NA48 Liquid Krypton Calorimeter Calorimeter
Must achieve inefficiency Must achieve inefficiency < 10< 10-5-5 to to detect photons above detect photons above 1 GeV 1 GeV
Advantages: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 DisadvantagesDisadvantages
0.5 X0 of passive material in front of active LKR
The cryogenic control system needs to be updated
2 21 2
22
m m
p
K/
( / )p GeV c
Cedar-W
Cedar-N
Cerenkov differential counter Highly parallel beam
No Beam pipe !!!No Beam pipe !!!
Four views Four views X,Y,U,VX,Y,U,V
per chamberper chamber
beambeam
Soluzione alla CKMSoluzione alla CKM
1mm Pb/5 mm scintillatore1mm Pb/5 mm scintillatore 15 corone circolari15 corone circolari Superficie totale vista dai fotoni: 27 m2Superficie totale vista dai fotoni: 27 m2 Superficie totale di Pb e Sci: 2222 m2Superficie totale di Pb e Sci: 2222 m2 Lunghezza delle fibre per la raccolta di Lunghezza delle fibre per la raccolta di
luce: 240 Kmluce: 240 Km 960 fototubi960 fototubi Montaggio tra due sezioni del tubo a Montaggio tra due sezioni del tubo a
vuotovuoto
GeometryGeometry
Specifications: Specifications: Momentum resolution to ~ 0.5 % Angular resolution ~ 10 rad Time resolution ~ 100 ps Minimal material budget Perform all of the above in
800 MHz hadron beam, 40 MHz / cm^2 Hybrid Detector:Hybrid Detector:
SPIBES (Fast Si micro-pixels) Momentum measurement Facilitate pattern recognition in subsequent FTPC Time coincidence with CHOD
FTPC (NA48/2 KABES technology with FADC r/o) Track direction
Test of ALICE pixelTest of ALICE pixel in NA48/2 beam in NA48/2 beam
150 µm thick ALICE chip200 µm thick sensor
1.1 % X0 all together
8192 pixels
L’idea è quella di usare Glass Multigap RPCs, sullo stile di quanto realizzato in ALICE
A questo rivelatore infatti è richiesto di essere efficiente (>99%) e di avere un’ottima risoluzione temporale (50ps)in modo da ridurre al massimo la possibilità di associazioniaccidentali fra il pione di decadimento ed il K che lo origina.
p io
n
NA48/3 COMPASS
p io
n
NA48/3 COMPASS
NIM 533A,74 (2004)NIM 533A,74 (2004)
4x2 moduli, con lettura a strips orizzontalie verticali
Assumendo strips 20x1200i canali di lettura sono60x4x2 = 480
≈ 0.15 X0Possibilità di self-trigger
2.4 m2.4 m
20052005 Far partire tutte le attività relative ai nuovi detectors (WG) Effettuare I test di vuoto (<10-7 mbar) nel tubo di
decadimento e verificarne la compatibilità con le camere a straw
Effettuare una stima realistica dei costi Potenziare la Collaborazione quanto
possibile Sottomettere la proposta al SPSC e alle
altre funding Agencies coinvolte
2006-20082006-2008 Costruzione, Installazione e test-beams
2009-20102009-2010 Data Taking
Siamo di fronte alla fortunata combinazione di Siamo di fronte alla fortunata combinazione di un caso di fisica importante,un caso di fisica importante, che può essere che può essere affrontato con un affrontato con un acceleratore già esistenteacceleratore già esistente, , usando le infrastrutture (i.e. civil engineering, usando le infrastrutture (i.e. civil engineering, hardware, …) di un hardware, …) di un esperimento in chiusura esperimento in chiusura
Vogliamo comunque Vogliamo comunque sottolineare che sottolineare che questa questa iniziativainiziativa NONNON è una mera è una mera continuazione di NA48, continuazione di NA48, bensì un NUOVO PROGETTO, bensì un NUOVO PROGETTO, che rinasce da quelle ceneri …che rinasce da quelle ceneri …
SPARESSPARES
V us dal K 0
e30
0 0
0
3032 5
0
128 | | ( )
dove (short distance correction)
(phase-space in
(0)
1.0
tegral)
232
0.1034 0.
da c
0
,
6
ui
00
| | (0) 0.2146 0.0016
K
EW K
EW
K
us eF K
Kus
V KG
fS I
S
I
M
V f
0 6
exp
usando dal modello chirale (p )
(Cirigliano, Neufeld, Pichl: EPJ C35, 53, 2004)
(0) 0.981 0.010
| | 0.2187 0.0016 0.0023 0.2187 0.0028
K
us th
f
V
BR(KBR(KLL →→33) = 0.1992) = 0.1992±0.0070…±0.0070…
V us dallo beta decay
mmmgfm
mmVG
e(uus)uss
d)(s
usF
e
0
0
;||3||2
31
60||
)(
... neutrone del odecadiment al simile molto è della beta odecadiment Il
21
213
522
0
0
V us dallo beta decay
0
4
42 51 0 03 0 1
da cui, usando la vi
I
1
l risultato preliminare del BR
(KTeV, con 1
ta media
76 event
ottenuto da NA48/1 (623
i, fornisce: 2 71 0
8 eventi), è
38 10
1
[
)
9
0
(2
.
-stat systBr(Ξ Σ e υ) ( . .
( .
. )
. )
0
-10 0
0 5 1exp
0.211 1 1 0.17
0.0300.025
0 0.09) 10 s] della , si ha
8 66 0 38 0 27 10
... e assumendo f (0) 1 e g / 1.32 0.
05
| | 0.214 0.006 (p
-
Ξ lifetime
stat syst
us
Ξ
Br(Ξ Σ e υ) ( . . . ) s
f
V
reliminary)
V us dal K+e3
0
0
Usando decadimenti del di "minimum bias" presi nel 2003, in 8 ore di run,
NA48/2 può dare un primo
La normalizz
risultato pr
azione è for
eliminare per il
nita dal decadimen
.
to
K
Br(K π e ν)
(
π
B
K
0
0 03 3
0 (5.14 0.02 0.06 )%
0 2113 0 0014 .
Gli eventi selezionati erano (praticamente senza fondo)
: 59 k; : 33 k; : 468 k; : 260 ke e
stat systBr(K π e ν)
r(K π π ) . . )
K K K π π K π π
1444444444444444 2
0
0
ed usando, secondo Cirigliano et al., (0) 1.002 0.010,
| | (0) 0.2245 0.0013 (prelim.)K
Kus
f
V f
444444444444444444444444444444444444444444444344
in accordo con lo S 0 2274 0M inconsistente con PDG2002
si ha inf
, ma
ine
002 .
1 ..
| | 0.2241 0.0026 us
. .( )
V
V us da NA48/n
_ 2002| | 0.2196 0.0026us PDGV
Altri risultati …
L
L
(PDG 2004: 0.030 0.002) K form factor:
5.6M di eventi ricostruiti 0.0288 0.0005 0.0011
e nessuna evidenza di accoppiamenti scalari o tensoriali ..
K : ana
.
li
stat syst
e
e
* 0 *L 20 , 30 0.0120.011
5
L
0L
(
si model-independent, 19000 eventi:
Br(K )(0.960 0.
Br(K ) (
007)%Br(K )
5.21 0.07 0.09 ) 10
e E
stat sys
M V
t
ee
e
e
PDG 2004:5.18 0.29)
… e altri ancora …
Asymmetry vs. time Asymmetry vs. time (1 month ’03 data): preliminary
2/ndf 5.6/12
2/ndf 13.5/12AS+offsetAJ+offset
A+
A-
(AS+AJ)/2 + offset
(A++A-)/2
Day-sample pair Day-sample pair
Day-sample pairDay-sample pair
K±±+-
… Alcune definizioni …
dove u = (S3 – S0) / M
e Si : (PK - Pi )2 = MK2 + M
2 - 2 MK E* ,
S0 = Si /3 = M→ u=(2Mk/3M
2)(MK - 3 E* )
K+ K-
u distributions for K+ e K-
( )(1 )
( )
( () )
K uN u
K u
Ug
K
U K
E391a@PS-KEKE391a@PS-KEK
•First dedicated experiment to search for KL→ •SES~ 3 10-10
•Based on pencil kaon beam and photon vetoesScheduled for ~100 days KEK PS beam in 2004 This is a Stage I project for further study at J-PARC
KOPIO@BNL KOPIO@BNL
Aim to collect 60 Aim to collect 60 KKLL→→
events with S/B~2 events with S/B~2 (Im (Im tt toto 15%) 15%) Measure as much as possibleMeasure as much as possible
Energy, Position and Angle for each photon
Work in the Kaon Center of Mass Work in the Kaon Center of Mass Micro-bunched AGS beam Use TOF to measure KL momentum
Start construction in ?Start construction in ?