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Che cosa vuole misurare NA62 e perché

Come intende procedere

Bologna, 21 settembre 2010

Enrico IacopiniUniv. di Firenze

e INFN-FI

Perché si vuole farlo ?Perché si vuole farlo ?

La misura

+K

L’esperimento NA62 si propone di misurare il BR del decadimento rar(issim)o

La ragione è che questo decadimento La ragione è che questo decadimento

costituisce un test inequivoco delle previsioni dello SMcostituisce un test inequivoco delle previsioni dello SM, , dato che, dato che, in esso, il suo BR (con quello del decadimento “fratello” in esso, il suo BR (con quello del decadimento “fratello” ) ) può essere oggi calcolato con un grado di accuratezza, oggi nonpuò essere oggi calcolato con un grado di accuratezza, oggi non raggiungibile in altri processi FCNC (10%raggiungibile in altri processi FCNC (10%5%).5%).

0LK

(BRSM~0.8×10-10) con un’accuratezza del 10%

E’ molto sensibile a contributi di Fisica oltre il MS (NP).E’ molto sensibile a contributi di Fisica oltre il MS (NP). Infatti, risultando Infatti, risultando sin sin88CC, esso é fortemente soppresso , esso é fortemente soppresso (BR ≈ 10(BR ≈ 10-10-10) nel MS ed in caso di NP, contributi mediati, per ) nel MS ed in caso di NP, contributi mediati, per esempio,esempio, da W-ini e Z-ini da W-ini e Z-ini sono in grado di modificarlo sono in grado di modificarlo sensibilmente…sensibilmente…

K→ : Teoria nello Standard Model

( ) 1.464 0.041SMX NLO

2 2

5 5

20

L 5

,

0L

Im Re Re( ) ( )

Im( )

SM SMt t

M

cc

c u

tS

P PB K

B XK

X X

charm contribution

topcontributions

2 08 11 8

2 43 ( ) (5.165 0.025) 10 ( / 0.225)

2 sinKW

Br K er

The hadronic matrix element is, in fact, measured (and isospin rotated) …

*

*

us

c cs cd

t ts td

VV VV V

Predizioni dello SM

dove, per il decadimento carico che ci interessa, il break down dell’incertezza è il seguente:25%25% incertezza sulla massa del charm (assunta 1.3 GeV);incertezza sulla massa del charm (assunta 1.3 GeV);45% 45% incertezze su CKM e fattori di scala;incertezze su CKM e fattori di scala;11%11% incertezze suincertezze su ss , m , mtt;;19%19% incertezza dal Ke3 e dal contributo da quarks u e c (16%)incertezza dal Ke3 e dal contributo da quarks u e c (16%)

Standard ModelBR(KBR(K++++) ) (8.5 ± 0.7)×10 (8.5 ± 0.7)×10-11-11

BR(KBR(KLL00) ) ± 0.4± 0.4×10×10-11-11

… 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 …

€

k+ ⇒ 6%;

€

XSM ⇒ 38%;

€

Pc ⇒ 17%;

€

Pc ⇒ 39%J.Brod, M. Gorbahn; arXiv:0805.4119v1

Impact of the proposed measurement

on the Unitarity TriangleOggi da K+ + bar

100 eventsMean=E787/949

BR(K+ → + ) = 1.73+1.15-1.05 × 10-10

(0,0)

(ρ,η)

β

(1,0)

K+→π+νν

K0→π0νν

γ

α

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, ...)

Impact on possible NP

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

NA48: ’/’/’/

’/ lower inst. intensity

NA48/1 KS

NA48/1: KS

KL

no spectrometer

NA48/2: K

2004NA48/2: K

Direct CP-Violation established

+ KL Rare Decays

+ KL Rare Decays

First observation ofK0

S → 0 e+e- and K0S → 0

• Search for Direct CP-Violation in charged kaon decays• scattering length: (a0-a2)m+= 0.268 0.017

Re ’/= 14.7 ± 2.2 10-

4

KTeV (2008) 19.2 ± 2.1

10-4

NA62NA62is the continuation of NA48,is the continuation of NA48,with an improved detector…with an improved detector…

NA62 phase IData taking: 2007Results: end 2008

NA62 phase II2005: First Proposal

2013-2015: data taking

With the NA48 standard detector, perform a precision measurement (<0.5% accuracy) of the ratio

€

RK =Γ K ± →e±ν e( )Γ K ± →μ ±ν μ( )

Perform the measurement of the BR Perform the measurement of the BR (10% accuracy) of the very rare decay(10% accuracy) of the very rare decay

K

NA48/3 P326 NA62

to check lepton universality and possibly observe signals of Physics beyonf the SM

€

RK (ex ) = (2.486 ± 0.013) ×10−5

RK ( th ) = (2.477 ± 0.001) ×10−5

(40% dataset)

Proposal to Measure Proposal to Measure the Rare Decaythe Rare Decay KK

at the CERN SPSat the CERN SPSNA62 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

CERN-SPSC-2005-013 SPSC-P-326

•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

NA48 present Beam line

CERN-SPSC-2007-035 SPSC-M-760

NA62

Data l’estrema piccolezza del BR della reazione, la misura si può fare solo se si riescela misura si può fare solo se si riesce

davvero ad “eliminare” il fondo !davvero ad “eliminare” il fondo !(Jacques de La Palice …)(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

O(100) eventi K++ in 2 anni ~ max 15% di fondo

Reiezione cinematica K+: tracciatore del fascio (GTK:Si)

: spettrometro magnetico (STraw-CHambers STCH)

KK+

m2miss=(PKP)2

Veto e particle ID

Veto 0 : LKr + LAV + SACVeto eventi multitraccia: STCHSeparazione / : MUD+RICH

BR(SM) = 8×10-11

~ 4.8×1012 K+

decays/yAccettanza ~15%

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

Le linee guida per NA62Le linee guida per NA62

Il detector di NA62Il detector di NA62ppp: 3.3 x 1012

Momentum: 75 GeV/cDuty cycle: 4.8/16.8 s Pulses/year: 1.5 x105

SM events/y: 50

Beam line

TARGET

NA62 future beam line

NA62 future beam line

92% dei decadimenti del K+

K+ +0 determina, quanto al segnale, la divisione in due regioni utili

Fondo con soglia cinematicaFondo con soglia cinematica

Decay BRK+ K2)

0.634

K++0

(K0.209

K+++- K+00

0.073

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

K

K+

m2miss=(PKP)2

Fondo senza soglia cinematicaFondo senza soglia cinematica

Decay BRK+0eKe3) 0.049K+0K3) 0.033K+K2 6.2×10-3

K+0 1.5×10-3

(2.75×10-4 PDG)

K+ eKe4) 4.1×10-5

K+ K4) 1.4×10-5

8% dei decadimenti del K+

Questo fondo attraversa la regione del segnale

Reiezione basata solo su Veto e Particle ID

K

K+

m2miss=(PKP)2

K+→ (K)

Largest BR: 63.4% Need ~10-12 rejection factor• Kinematics: 10-5

• Muon Veto: 10-5 MUD• Particle ID: 5×10-

3RICH

K+→ (K) 2nd Largest BR: 20.9% Need ~3×10-12 rejection factor• Kinematics: 10-4

• 0 (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:

P< 1 %

PK < 0.5% K 50-60 μrad

Esempio di riduzione del fondoEsempio di riduzione del fondo

(mmiss)2 ~ 10-3GeV2/c4

Quanto alla cinematica, si è assunto

Va bene eliminare il fondo, Va bene eliminare il fondo, ma occorre che un po’ di segnale ma occorre che un po’ di segnale

resti !resti !Selezione:1 traccia ricostruita nel gigatracker e nelle straw1 traccia vista nel RICH particle-ID e timingTraccia nell’accettanza del LKr e MUD particle-ID5 < Zvertex<65 m dalla 3rd stazione del gigatracker definizione della regione fiducialeCDA<0.8 cm ((CDA)~0.1 cm) rigetta eventi mal ricostruitaiP< 35 GeV/c essenziale sia per vetare il +0 che per mantenere la separazione / 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 P (riduzione 50% dell’accettanza)

Rapporto Rapporto segnale/fondosegnale/fondo

Decay Mode # events

Signal [acc=14.4%, flux = 4.8×1012 decay/year]

55 evt/year

K++0 [0 = 2×10-8 (3.5×10-8) ] 4.3% (7.5%)K++ 2.2%

K+e++ 3%

Other 3 – track decays 1.5%

K++0 ~2%

K++ ~0.7%

K+e+(+)0, others negligible

Expected background 13.5% (17%)

… … e veniamo ora e veniamo ora alle caratteristichealle caratteristiche

che devono possedereche devono possederei principali rivelatori i principali rivelatori

di NA62 …di NA62 …

22

0

2

1

m

0 1 0 0 2 0 0

5 0 1 5 0 2 5 0 Z m

- 1

- 2

C E D A RVA C U U M

Targ e t

K ~ 7 5 G eV+

G IG AT R A C K E R

R IC H

S tr aw C h a m b e rs

N e1 a tm

A N T I0

M U VH A C

A N T I 1 - 12

C 5C 2 C 7TA X

A ch ro m a t 1

A ch ro m a t 2

M

SAC

IR C Iro n

L K r

Il fascio che useremo …

BEAM BEAM (CERN)(CERN)

Primary beam:400 GeV/c primary protons from SPS1.1 x 1012 protons/s on target

Secondary beam:75 GeV/c (P/P ~ 1%)p//K (fraction of K ~6%)e+ component suppressedArea at beam tracker 16 cm2

Integrated average rate at beam tracker 750 MHz

Expected kaon decays per year 4.8x1012

(1y = 100d, 60% eff.)

23

0

2

1

m

0 1 0 0 2 0 0

5 0 1 5 0 2 5 0 Z m

- 1

- 2

C E D A RVA C U U M

Targ e t

K ~ 7 5 G eV+

G IG AT R A C K E R

R IC H

S tr aw C h a m b e rs

N e1 a tm

A N T I0

M U VH A C

A N T I 1 - 12

C 5C 2 C 7TA X

A ch ro m a t 1

A ch ro m a t 2

M

SAC

IR C Iro n

L K r

K tagging

CEDAR CEDAR (UK+USA)(UK+USA)

A differential Cherenkov counter for K tagging

Upgraded version of the CEDAR built for theSPS secondary beams:• Pressurized H2 (3.6bar) instead of Nitrogen• New photo detectors and electronics

Vary gas pressure and diaphragm apertureto select Kaons: 80% eff, rej err = 1%

100 ps time resolution (30 pe; 1.5 x 10^9 pe/s)

Layout of the beam on the horizontal plane

beam

The Beam momentum is derived from the hit coordinate in GTK2 with respect to GTK1 and GTK3 coordinates: 75 GeV/c -> 60 mm

A1÷A4: achromat dipole magnets to provide the momentum selection and recombination

not to scale

Il Gigatracker (GTK)Il Gigatracker (GTK)

800 MHz beam800 MHz beamRate< 82MHz/cmRate< 82MHz/cm22

200 ps time resolution200 ps time resolution <0.5 % X0 /station<0.5 % X0 /station

(CERN, TO, FE)

vista frontale

Layout di ciascuna Layout di ciascuna stazionestazione

18000 pixels quadrati con lato di 300 m

• 200 m Silicon sensor (>11 000 e/h mip)– Bump-bonding

• Read-out chip (0.13m techology)– Thinned down to ~100 m

• Beam surface ~ 14 cm2

• ~125 m Carbon fibre for cooling & support• Fluences: 1.×1012 to 2.×1014 1MeVequiv n/cm2

Risoluzioni necessarie:Risoluzioni necessarie:(P(PKK)/P)/PKK ~ 0.2% ~ 0.2%(dX,Y/dZ)(dX,Y/dZ) ~ 12 ~ 12 radrad

chip

pixel matrix

mechanical support

(mmiss)2 ~ 10-3 GeV2/c4

26

0

2

1

m

0 1 0 0 2 0 0

5 0 1 5 0 2 5 0 Z m

- 1

- 2

C E D A RVA C U U M

Targ e t

K ~ 7 5 G eV+

G IG AT R A C K E R

R IC H

S tr aw C h a m b e rs

N e1 a tm

A N T I0

M U VH A C

A N T I 1 - 12

C 5C 2 C 7TA X

A ch ro m a t 1

A ch ro m a t 2

M

SAC

IR C Iro n

L K r

Il tracking

STRAW TRACKERSTRAW TRACKER(CERN-Dubna)

4 straw chambers in vacuum1 magnet (NA48 magnet, 256 MeV/c Pt kick)4 views per chamber (XYUV)4 staggered layers of tubes per view9.6 mm Mylar tubes 2.1 m longTotal X0 ~0.1% per view

Full length prototypes built in 2007 and 2010Tested in beam

27

0

2

1

m

0 1 0 0 2 0 0

5 0 1 5 0 2 5 0 Z m

- 1

- 2

C E D A RVA C U U M

Targ e t

K ~ 7 5 G eV+

G IG AT R A C K E R

R IC H

S tr aw C h a m b e rs

N e1 a tm

A N T I0

M U VH A C

A N T I 1 - 12

C 5C 2 C 7TA X

A ch ro m a t 1

A ch ro m a t 2

M

SAC

IR C Iro n

L K r

Photon Veto I

LARGE ANGLE LARGE ANGLE VETO VETO (LNF, NA, PI, RM1)

12 rings in vacuum to cover 8.5 to 50 mradOPAL lead glassRings built in Frascati

28

0

2

1

m

0 1 0 0 2 0 0

5 0 1 5 0 2 5 0 Z m

- 1

- 2

C E D A RVA C U U M

Targ e t

K ~ 7 5 G eV+

G IG AT R A C K E R

R IC H

S tr aw C h a m b e rs

N e1 a tm

A N T I0

M U VH A C

A N T I 1 - 12

C 5C 2 C 7TA X

A ch ro m a t 1

A ch ro m a t 2

M

SAC

IR C Iro n

L K r

Photon Veto II

LKRLKRLiquid Krypton CalorimeterLiquid Krypton CalorimeterUse the existing LKr from NA48Inefficiency for detecting measured on dataFor E > 10 GeV e < 8x10-6

IRCIRCIntermediate Ring Intermediate Ring CalorimeterCalorimeterRadial coverage in front of LKr7 cm < R < 14.5 cm

SACSACSmall Angle Small Angle CalorimeterCalorimeter24x24 cmNeutral particles escaping through the beam pipe

(CERN-Sofia)

The photon Veto The photon Veto systemsystem Medium angle (1-10 mrad): the “old” NA48 LKr the “old” NA48 LKr

CalorimeterCalorimeter

New Readout

• Rate: ~8.7 MHz () + ~4 MHz () + ~4 MHz ()

Costituisce il “cuore” del sistema dei veto:Costituisce il “cuore” del sistema dei veto:per decadimentiper decadimenti K K++ nella nella zona fiduciale (5<z<65m) e conzona fiduciale (5<z<65m) e conEE <35 GeV, i due fotoni del<35 GeV, i due fotoni del 00 sono, sono, nell’82% dei casi, nell’accettanza del LKrnell’82% dei casi, nell’accettanza del LKre nel resto dei casi, quello di energiamaggiore è nel LKr+SAC.

Per questo è cruciale conoscere esattamente la sua inefficienza in funzione dell’energia delfotone (in NA48 LKr veniva usato comecalorimetro e non come Veto …)

30

0

2

1

m

0 1 0 0 2 0 0

5 0 1 5 0 2 5 0 Z m

- 1

- 2

C E D A RVA C U U M

Targ e t

K ~ 7 5 G eV+

G IG AT R A C K E R

R IC H

S tr aw C h a m b e rs

N e1 a tm

A N T I0

M U VH A C

A N T I 1 - 12

C 5C 2 C 7TA X

A ch ro m a t 1

A ch ro m a t 2

M

SAC

IR C Iro n

L K r

rejection I

RICH RICH (FI, PG, CERN)Purposes:• separation between 15 and 35 GeV/c• Event time with resolution of ~100 ps• L0 trigger signals

Full length prototype built and tested at CERN0.5 radius2 x 1000 PMT18 mm pixel sizeNhits ~ 17/eventtevent ~ 70 ps[NIM A 593, 2008]

Per maggiori dettagli: vedi presentazione di R. Piandani

31

0

2

1

m

0 1 0 0 2 0 0

5 0 1 5 0 2 5 0 Z m

- 1

- 2

C E D A RVA C U U M

Targ e t

K ~ 7 5 G eV+

G IG AT R A C K E R

R IC H

S tr aw C h a m b e rs

N e1 a tm

A N T I0

M U VH A C

A N T I 1 - 12

C 5C 2 C 7TA X

A ch ro m a t 1

A ch ro m a t 2

M

SAC

IR C Iro n

L K r

MUON VETO MUON VETO (Mainz-Protvino)(Mainz-Protvino)

MUV1 and MUV2:Iron-scintillator sandwich calorimeters with24 (MUV1) and 22 (MUV2) layers of scintillator strips.

MUV3:Fast trigger signals

rejection II

Main work on possible solutions for the L0 hardwareTELL-1 board (LHCb) based implementation for all non FADC sub detectorsDesign of a new 100 ps TDC daughter-card (RICH, Straws, MAMUD,…)

A possible scheme……

TDAQTDAQ

•1track × × → 1 MHz L1 trigger input → PC farm

Level L0 “hardware” L1-L2 “software”

Input ~10 MHz 1 MHz

Output 1 MHz O(KHz)Implementation Dedicated hardware TDAQ farm

Actions RICH minimum multiplicity, Muon veto, LKr () veto

L1 = single sub-detectorsL2 = whole event

Per maggiori dettagli: vedi presentazione di B. Angelucci

NA62, 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.

ConclusionConclusionii

K mesons

Flavour Physics

Avranno davvero finito di sorprenderci ?

Il detector di NA62Il detector di NA62

STRAW Prototype resultsSTRAW Prototype resultsDubna

x,y,u,v x,y,u,v x,y,u,v x,y,u,v

ch 1 ch 2 ch 3 ch 4

183 m from target 10 m 10 m 15 m

Magnet MNP33(Ptkick = 260 MeV/c)

(mmiss)2 ~

10-3 GeV2/c4

σ = 61 μm5 hits for track

σ = 136 μm/hit

The photon Veto system: the The photon Veto system: the LKrLKrMethod II: brem photons, to cover the range 2 GeV < E< 10 GeV

Questi risultati garantiscono Questi risultati garantiscono per il sistema dei Veto per il sistema dei Veto (LKr+SAC+LAV) (LKr+SAC+LAV) una inefficienza di reiezione una inefficienza di reiezione del del inferiore a 3 inferiore a 3××1010-8-8..

vacuum

Electron beam

(25 GeV/c)

Bremsstrahlung

Kevlarwindow

Driftchambers

Magnet

Calorimeter

e-

He

Hodoscope

Photon beam

Energy Inefficiency2 < E < 3.5 GeV (5.8 ± 1.3)×10-4

3.5 < E < 5 GeV (1.6 ± 0.4)×10-4

5 < E < 7.5 GeV (2.8 ± 1.6)×10-5

7.5 < E < 10 GeV

<2×10-5

E > 10 GeV <1×10-5

Dove siamo oggi con le misure del

BR di K+

K+→+ : State of the art

K+→+ : State of the art

BR(K+ → + ) = 1.47+1.30-0.89 × 10-10

•Twice the SM, but only based on 3 events…

hep-ex/0403036 PRL93 (2004)

Stopped K~0.1 % acceptance

AGS

Experiment concluded

KL→ : E391a

BR(K0 → 0 ) < 6.7 × 10-8 (90%CL)arXiv:0712.4164v1 (27 Dec 2007)

KL at 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