KOPIO Misura del decadimento KL  p0nn Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Sommario Mesoni K e violazione di CP Matrice CKM e triangolo di unitarietà Il decadimento KL  p0nn L’esperimento KOPIO a BNL Tecnica di misura Caratteristiche del fascio Il rivelatore Calorimetria Sistema di veto Conclusioni IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Mesoni K e violazione di CP I mesoni K Ruolo importante per la definizione della struttura di sapore dei quark KL  m+ m- forte motivazione per il “GIM mechanism” Violazione indiretta di CP nel mixing K0 – K0 (parametro e) Violazione diretta di CP in K0  2p (Re (e’/e)) Nell’era di misure di precisione di CP nel settore dei mesoni B Studi matrice CKM nel SM Decadimenti rari dei K Fisica oltre lo SM (BSM) IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Matrice CKM - unitarietà Parametrizzazione di Wolfenstein espansione in termini di l = |Vus | 4 parametri: l, A=Vcb/l2, r, ih 3 valori reali, 1 fase Vud V*ub + Vcd V*cb + Vtd V*tb = 0 h A=(r,h) C=(0,0) B=(1,0) r+ih 1-r-ih = r (1-l2/2) h = h (1-l2/2) a b g VtdV*tb VudV*ub VcdV*cb r IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Contributi da K e B h KL  p0nn Bd  pp K+  p+nn a b g r B-  K-D0 Bd  J/y KS Vub Vcb IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN “Golden modes” Quattro “super-clean” inputs dalla fisica dei K e dei B contribuiscono a verificare la descrizione della violazione di CP e il mixing dei quarks E787/E949 (BNL) CKM (FNAL) KOPIO (BNL) E391A (KEK) BABAR, BELLE CDF, LHCB BTeV |V*ts Vtd| Im (V*ts Vtd)  h sin 2b |Vts /Vtd| IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Decadimenti K  pnn nello SM I decadimenti K  pnn presentano caratteristiche peculiari Processi FCNC che avvengono attraverso diagrammi a loop Governati da interazioni a corta distanza Incertezze teoriche molto piccole elementi di matrice adronici estratti da K+  p0e+n, K0  p+e-n dominato da quark top violazione diretta di CP KL  p0nn contributi da top e charm No violazione di CP K+  p+nn IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

KL  p0nn nel Modello Standard Misura del BR (es. 15%) Misura “pulita” dell’altezza h del triangolo di unitarietà (7.5%) Branching ratio previsto dallo SM (3 ± 1) x 10-11 Limite attuale < 5.9 x 10-7 (KTeV) (da p0 → e+e-g) IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Il decadimento KL  p0nn Sfida sperimentale posta da KL  p0nn Segnatura sperimentale molto debole Solo due fotoni rivelati A priori non è noto il vertice di decadimento né l’energia del K Fondi da controllare: Decadimenti del KL 34% dei decadimenti del KL ha almeno un p0, per esempio KL  p0 p0 (BR = 9.3 x 10-4), KL  p+ p- p0 (BR = 1.25 x 10-1) cattiva identificazione, es. KL  p- e+ n (BR = 3.9 x 10-1) Fondo di neutroni del fascio Decadimenti di iperoni, e.g. L p0 n IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Caratteristiche dell’evento 2 fotoni e niente altro sistema di veto “ermetico” con inefficienza molto bassa (~10-4) I due fotoni vengono dal decadimento del 0 conoscenza del vertice Caratteristiche cinematiche misura dell’impulso del KL con TOF energia del 0 nel centro di massa del KL Minimizzare il materiale attraversato dai neutroni del fascio vuoto di alta qualità fascio con piccolo alone IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Strategia sperimentale Misura di tutte le possibili quantità degli stati iniziale e finale Tempo di volo del K0L con fascio “m-bunched” di bassa energia impulso del KL e trasformazione al sistema del c.m. del KL reiezione cinematica di KL® p0 p0 (p0 monocromatico nel c.m.) Misura della direzione dei fotoni con preradiatore tracciante (prima coppia e+ e-) determinazione della direzione dei fotoni misura diretta di mgg per condizione mgg = mp° determinazione del vertice di decadimento Vincoli cinematici consentono misure efficienza di veto IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Concetto dell’esperimento fascio primario impulsato impulso del KL con TOF p0 da KL  p0nn è ricostruito IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Cinematica Quantità misurate energia del K energia, direzione e tempo dei fotoni Vincoli cinematici massa del p0 divergenza verticale del fascio tempo relativo dei fotoni IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Fondo KL® p0 p0 Ricostruzione cinematica del p0 nel c.m. del KL è complementare rispetto alle condizioni di veto: che soddisfano mgg= mp0 possono provenire da stesso p0 (EVEN) E*p = mK/2 p0 diversi (ODD) E*p alta rigettare eventi con E*p grande  eventi con bassa efficienza di veto Permette di individuare regioni in cui KL → p0 p0 è trascurabile pura cinematica + effetti strumentali fondo Kp2 segnale ODD IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Kopio outcomes IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN L’esperimento KOPIO a BNL IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

L’apparato sperimentale IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Caratteristiche del fascio Fascio m-bunched prodotto dall’AGS a BNL Protoni primari da 25.5 GeV, 7 x 1013 ppp Impulsi da 200 ps, spaziati di 40 ns, rate 25 MHz Risoluzione in impulso con TOF → qualche % Fascio di KL Estratto a 45° Basso rate di iperoni Spettro di impulso “soft”, range usato 0.4-1.3 GeV/c, picco a ~ 0.65 GeV/c 5 mrad in verticale × 100 mrad in orizzontale Limitare l’alone Ulteriore vincolo sul vertice di decadimento Si accettano eventi con 1 solo decadimento/m-bunch No dead time indotto dagli eventi dello stesso m-bunch costo ~ 35% in efficienza, ma efficienza di veto ben controllata IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Flussi e alone del fascio Flusso di KL all’uscita dell’ultimo collimatore ~ 108 decadimenti tra ultimo collimatore e prerad: 2.6  107 decadimenti/mbunch 0.56 Flusso di neutroni misurato su fascio > 10MeV → 0.6  1011; > 100MeV → 0.4  1011 Flusso di fotoni vengono ridotti con spoiler in campo magnetico dopo conversione > 10 MeV: 1.4  1010 → ~250/ mbunch Alone di neutroni accurata scelta geometria collimatore < 10-4 , ma richieste più stringenti per limitare la produzione di p0 che può generare fondo miglioramenti con schermi di polietilene 7 × 1013 ppp IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Alone di neutroni Configurazione del proposal Nuovo collimatore Aggiungere plot dell’alone di neutroni prima e dopo, geometria collimatore IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Test del m-bunch Cavità RF: 93MHz, 30kV IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Misura dei fotoni Direzione Preradiatore di bassa densità (64 piani , 2 X0 totali) camera drift a piccole celle con lettura di anodo e cathode strips scintillatore per la misura dell’energia Energia Calorimetro Shashlik + preradiatore Shashlik da solo, su test beam, ha dato 3.4%/E Combinando le due misure, studi Monte-Carlo indicano la possibilità di raggiungere una risoluzione del 2.7%/E Tempo s(t)  0.2 ns effetti del leakage degli sciami nel tubo del fascio probabile necessità di una cornice interna di alta densità IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Preradiatore Prestazioni Risoluzione angolare 25 mrad @ 250 MeV ( E–0.7) Risoluzione in energia insieme a Shashlik 2.7%/E 64 strati di 0.034 X0 (5 × 5 m2) Celle drift 5 × 5 mm2 (lettura filo e strip catodiche) Scintillatore per misura E in congiunzione col calorimetro IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Calorimetro shashlyk/1 IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Calorimetro shashlyk/2 300 strati Pb/Scintillatore (0.275 mm – 1.5 mm) granularità 11x11 cm2 16 lunghezze di radiazione lettura fibre WLS Risoluzione in energia con PM 3.4 %/E (GeV) (test) con APD 3.0 %/E (GeV) (MC) Risoluzione temporale 50 ps/ E (GeV) (MC) 100 ps per fotoni da 250 MeV IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Veto per fotoni - barrel Fondo dominante da Kp2 con due g persi  soppresso da ricostruzione cinematica, ma  alta e di rivelazione di g richiesta (99.98%) Sistema di veto Inefficienza < 2 x 10-4 nel range 10-500 MeV Fluttuazioni di sampling (no visible energy) Punch-through (fotoni che non convertono) Interazioni fotonucleari (non e.m. Shower) 3.5 m 4.2 m Sandwich piombo/scintillatore 0.5 mm Pb, 7 mm Sci → 3.2 X0 1 mm Pb, 7 mm Sci → 14.8 X0 Lettura con fibre WLS in scanalature estruse (4 m, spaziatura 6-10 mm) + PM ~ 750 moduli IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Efficienza di veto fotoni Prestazioni attese Risultati da test di E787 e KAMI, con soglia a 10 MeV Inefficienza per g 1.5 · 10-4 Risultato E787 + simulazione Inefficienza per p0 ~ 10-8 sE/ E(GeV), % 5.0 totale st/ E(GeV), ps 60 Test prototipo sposizione, cm 3-4 Segmentazione e timing sangolare, mrad 250 GEANT a Eg=100 MeV KOPIO sampling migliore possibile soglia minore IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Veto per particelle cariche/1 Identificare fondi in cui un apparente p0 → gg è accompagnato da emissione di particelle cariche, es: KL→ p+p-p0 (Kp3) KL→ e+p-ng (Ke3g) il positrone emette un g per bremsstrahlung o annichilazione in volo KL→ e+p-n (Ke3) un g proveniente dal positrone e un p0 creato da p-p → p0n segnatura due particelle cariche di segno opposto distribuzioni cinematiche di gg diverse da segnale segnali anche in altri rivelatori Efficienza > 99.99% richiesta IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Veto per particelle cariche/2 3 strati di scintillatore spessore minimo fibre WLS “embedded” e > 99.9% interni alla regione di decadimento (10-3 Torr) separati dalla regione ad alto vuoto (10-7 Torr) lettura con HPD o PM IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Sistema di veto - altro Veto per fotoni upstream Struttura simile al veto barrel Sistema di veto downstream Per fotoni e particelle cariche Suddiviso in tre gruppi Beam catcher Scopo rivelare fotoni sfuggiti attraverso il tubo a vuoto ma essere insensibile a particelle neutre (neutroni di bassa energia) Contatori Čerenkov 512 moduli 2 mm Pb + 50 mm Aerogel Sistema di specchi + PM da 5 in IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Beam catcher efficienza 98.5% fotoni da 300 MeV 0.2% neutroni da 800 MeV IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Trigger Livello 0 Tempo morto nullo Latenza 2 ms Rate di output 25 MHz Efficienza > 95% Tre ingredienti principali Somma delle altezze di impulso dal preradiatore e dal calorimetro Segnali dai contatori di veto Conteggio dei fotoni nel preradiatore e calorimetro Richieste: Solo 2 clusters in prerad + calo con E > 50 MeV e Dt = 5 ns No hit dai contatori di veto in ± 5 ns dal g candidato per fotoni con E > 5 MeV per particelle cariche nella regione del fascio upstream Migliorare la risoluzione temporale on-line Usare veto downstream Maggiore tempo morto Triggers di livello più alto in fase di studio IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Risultati attesi Risultati dal “draft TDR”, per 500 gg di presa dati con 7 × 1013 ppp SES ~ 10-12 Successive analisi indicano un miglioramento ~ 25% legato a tecnicalità del fit geometrico IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN

Università di Perugia e INFN Conclusioni Misura del BR del decadimento KL  p0nn “golden mode” per la comprensione della matrice CKM La misura pone una sfida sperimentale ardua Segnatura debole Fondi da controllare Prestazioni previste per l’esperimento e primi risultati di test sono soddisfacenti 41 eventi attesi  determinazione di h con una precisione del 10 - 20% IFAE-Lecce 24-4-2003 Giusy Anzivino Università di Perugia e INFN