Università di Perugia e INFN Test dell’universalità e-m nei decadimenti K± → l±n: misura del rapporto RK = G(Ke2)/G(Km2) in NA62 Giuseppina Anzivino Università di Perugia e INFN Bologna 24 aprile 2008

Universalità leptonica - RK Argomenti Breve storia di NA48/NA62 Universalità e-m: premesse teoriche RK e fisica oltre il Modello Standard Situazione sperimentale NA48/2 – risultati dati 2003-2004 NA62 - run dedicato nel 2007 Stato dell’analisi Futuro: misura di K+→p+nn Conclusioni Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK NA48 Violazione diretta di CP nei decadimenti dei K neutri Re(e’/e) = (14.7 ± 2.2) x 10-4 Misura del parametro |h+-| NA48 Decadimenti rari del KS prima osservazione e misura del BR di KS  p0e+e- e KS  p0m+m- NA48/1 Ricerca di violazione diretta di CP nei decadimenti K±→ 3p misura delle lunghezze di scattering pp NA48/2 Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK NA48  NA62 NA48/3  P326  NA62 NA62 fase I dati 2003-2004 run dedicato 2007 Test di precisione dell’universalità leptonica attaverso la misura del rapporto NA62 fase II proposta 2005 2008-2010 R&D + costruzione 2011 presa dati Misura del decadimento rarissimo, processo FCNC e sensibile a NP Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Test di universalità leptonica con NA48/2 e NA62 Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica Decadimento puramente leptonico Analogamente per Universalità valida anche per Z0  e+e-, m+m-, t+t- Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK I mesoni K e p I decadimenti leptonici dei mesoni pseudoscalari leggeri K±→l±n ideali per test di SM e ricerca di nuova fisica p±→l±n limitazioni dovute alle incertezze teoriche (a livello del percento) in particolare incertezze su quantità non perturbative, per esempio le costanti di decadimento fp e fK MA non direttamente utilizzabili per ottenere constraints su NP Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Il rapporto Rp,K Tuttavia le incertezze adroniche si cancellano nei rapporti le predizioni dello Standard Model per Rp e RK sono note con grande precisione diventa possibile il confronto con i risultati sperimentali precisi La misura di Rp,K è il modo più promettente per rivelare effetti di deviazione dalla universalità m-e in questi decadimenti Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

RK nello Standard Model SM RK è soppresso per elicità a causa della struttura V-A dell’accoppiamento a corrente carica [V. Cirigliano and I Rosell, JHEP 0710:005 (2007)] ChPT, O(e2p4) include solo IB e non DE cosa è DRK? Ke2 soppresso a causa dell’elicità correzioni radiative (Kl2g e fotoni virtuali) δRK = -3.8% DRK/RK ~ 0.04% Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Correzioni radiative IB SD RK predetto dallo SM include l’Inner Bremsstrahlung (IB) non include la Direct Emission (DE) (termine dipendente dalla struttura (SD) trascurabile in Km2, grande in Ke2 gli esperimenti misurano Ke2(g)/Km2(g) inclusivo e sottraggono SD effetti sull’accettanza trattamento delle correzioni radiative importante Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK RK oltre lo SM In un articolo recente è stato mostrato che: effetti di SUSY (MSSM) possono modificare il valore di RK previsto dallo SM a livello del percento (fino a 3% in alcune configurazioni) R-parity è la sorgente di nuova fisica da testare con RK questi contributi in SUSY derivano da effetti di LFV e non LFC A. Masiero, P. Paradisi, R. Petronzio, hep-ph/0511289 PRD74 (2006) Contributo dominante a RK di LFV dovuto a SUSY deriva da scambio di Higgs carichi Accoppiamenti effettivi di Yukawa LFV D31 è il termine LFV connesso alla soppressione di elicità del Ke2, D32 trasc. Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK RK in SUSY Il limite per LFV in Ke2 si converte in limite su D13=D13(mH±,tanb) Contributo da diagrammi con loop Contributi LFC sono soppressi (~ (tanβ)2), termini LFV (~ (tanβ)6) Alti valori di tanβ -> RKLFV grande Es.: se tanβ=40 e MH=500 GeV RKLFV = RKSM (1 + 0.013) K  golden modes per test di LFV Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Paragone con B±  t±nt possibili transizioni via H± dipendenza da M (H±) e tanb (Isidori, Paradisi PLB 639(2006)) LFV non richiesto  no D13 (e0 ~ 0.01) Per valori di D31 non troppo piccoli Sensitività a H± in Ke2/Km2 migliore rispetto a B  tn Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Situazione sperimentale prima dei risultati di NA48/2 abbastanza scarsa valore del PDG basato su 3 esperimenti degli anni ’70 effettuati con K a riposo plottino dei risultati del PDG Errore sperimentale maggiore di due ordini di grandezza rispetto alla incertezza teorica Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Misure di NA48/2 Dati 2003 1 mese di presa dati trigger: 1 traccia + energia EM + cinematica 4K Ke2 candidati raccolti sistematica non riducibile a causa della inefficienza di trigger ~ 15 % Dati 2004 56 ore di presa dati trigger lasco: 1 traccia + energia EM sistematica non riducibile a causa del fondo di Km2 nel sample di Ke2 perché 2003 e 2004 sono ancora preliminari? Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Il rivelatore di NA48 Componenti principali: Spettrometro magnetico (4 DCHs): 4 viste: ridondanza  efficienza σ(p)/p 1.0% + 0.044% p [GeV/c] Odoscopio: trigger veloce e misura precisa del tempo (150ps) Calorimetro e.m. a Liquid Krypton: 10 m3 (~22 t), 1.25 m (27 X0), 13212 celle granularità 2x2 cm2, quasi omogeneo σ(E)/E = 3.2%/√E + 9%/E + 0.42% [GeV] Calorimetro adronico, contatori di veto e contatori di muoni Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Rivelatore Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

I fasci simultanei di K+/K- Disegnato per la ricerca di violazione di CP nei decadimenti K±3p Fasci di K+ e K- simultanei e quasi collineari di energia 60 GeV (K+/K- ~1.8) Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Strategia della misura Acc(Kl2) = accettanza geometrica eTR(Kl2) = efficienza del trigger ePID(Kl2 )= efficienza della selezione D = downscaling del trigger N(Kl2) = numero di eventi selezionati NBG(Kl2) = numero eventi di fondo Eventi Ke2 e Kμ2 raccolti contemporaneamente rapporto indipendente dal flusso. Cancellazione di alcune sistematiche nel rapporto Il contributo dominante all’errore, la sottrazione del fondo, dipende dalla statistica Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Selezione degli eventi Cinematica simile per Ke2 e Km2  massimizzare i tagli comuni Geometria topologia a 1 traccia 15 < p < 50 GeV/c vertice nella regione di decadimento accettanza geometrica Km2 Particle ID (E/p) e (E/p > 0.95)  (E/p < 0.2) Cinematica decadimento a 2 corpi Mmiss2 = (pK-pl)2 -0.015 < Mmiss2 < 0.015 Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Background/1 La sorgente principale di incertezza è legata alla sottrazione del fondo Fondo dominate per Ke2 è dovuto al Km2 Ke2 e Km2 cinematicamente indistinguibili ad alto impulso Il m può subire, con una probabilità di ~ 5x10-6, una perdita catastrofica di energia nel LKr E/p  1 simulando un elettrone questo fondo è misurato dai dati in bin di impulso  14 % fondo da K±p0e±n ottenuto da MC fondo da K±p±p0 trascurabile per Km2 dati MC il decadimeto del mu contribuisce? run 2003-2004 pK = 60 GeV, pkick = 120 MeV/c Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Background/2 pt e ptrack sono legate da una relazione ellittica correlata alla mmiss2 Ke2 selezionati con taglio nella regione fiduciale a 3 s dalla media riduzione del fondo con un taglio combinato p pt analogamente per Km2 Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Risultati runs 2003 e 2004 Dati 2003 sample finale (4670 ± 77stat) eventi Ke2 errore sistematico dominato dal trigger Dati 2004 sample finale (3407 ± 63stat ) eventi Ke2 errore sistematico dominato dalla sottrazione del fondo km2 DRK/RK ~ 2% preliminari KLOE: ~ 8K eventi nel 2007, precisione 2.7%, target ~ 1% [arXiv:0707.4623] Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Flavianet fit per RK Il gruppo Flavianet ha eseguito un fit di RK, combinando i risultati del PDG 2006 con i risultati preliminari di NA48/2 e di KLOE grande improvement wrt PDG  ora dRK/RK ~ 1.3 % accordo perfetto con lo SM Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK NA48/3  P326  NA62 NA48/2 poteva migliorare l’incertezza dal 2% allo 0.5% con l’apparato esistente Proposta presentata in febbraio 2007 al SPSC e al Research Board approvata Nasce NA62 fase I misura di RK e test di prototipi per la fase II fase II misura del decadimento K+  p+nn 4 mesi di presa dati (escluso i periodi per i test) Goal  raccogliere ~ 1  105 eventi Ke2 Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Riduzione della sistematica Sorgente principale  fondo da Km2 Nuovo fascio e nuova configurazione dello spettrometro impulso del K: (60 ± 3) GeV/c  (75.0 ± 2.5) GeV/c Fascio di soli K+ usato per la maggior parte del run fondo dell’alone del fascio ridotto da 20% a 1% Ottimizzazione della risoluzione in massa mancante Misura precisa del fondo di K2 e della probabilità di mis- identificazione dell’elettrone Trigger di minimum bias (come per il run 2004) Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Fondo Km2 - cinematica p < 40 GeV/c ~ 43% eventi Identificazione dei candidati Kl2 con la cinematica Mmiss2 (assunzione me) Mmiss2 (l) = (pK-pl)2 ottimizzazione della risoluzione in massa mancante pK  fasci a banda stretta DpK/pK 2% vs 3% nel 03-04 pl  momentum kick del magnete 120 MeV/c  263 MeV/c dp/p = 0.47%+0.020p (p in GeV) perché la regione di analisi è fra 15 e 65 Fondo atteso da Km2 nella regione di analisi ~ 7% Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Fondo Km2 – E/p p > 40 GeV/c ~ 57% eventi identificazione dell’elettrone basata sull’energia nel LKr 0.95 < ELKr/ptr < 1.05 Ma una frazione di muoni subisce una perdita di energia “catastrofica” nel calorimetro e.m. mis-identified come elettroni P(me) ~ 10-6, dipendente da p (in accordo con la sezione d’urto di bremmstrahlung) cosa è la misura preliminare? Km2 costituiscono il fondo maggiore per gli eventi Ke2 Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Misura P(me) Misura diretta Muro di piombo posizionato su parte dell’accettanza (tra i due piani dell’odoscopio ) tracce che attraversano il muro + 1 MIP nell’odoscopio sample di m puri Perdita del 18% in accettanza e sono fermati (passano solo i m) Si misura la distribuzione di E/p per i  nel LKr Installato per 50% tempo di run m e sample raccolti: da Km2, durante la presa dati con run speciali di soli m spessore Pb(4.5 cm) + Fe (2.0 cm) 9X0 larghezza 240 cm = diametro odoscopio altezza 18 cm = 3 contatori Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Trigger Continui miglioramenti durante la presa dati in modo da migliorare la purezza del trigger Ke2: introduzione della condizione sulla molteplicità nelle camere a drift (1TRK) 2) ottimizzazione del downscaling 3) ottimizzazione dello steering dei fasci 4) smontaggio del muro di piombo Trigger Condition Rates/SPS spill Purity Start-up End-of-run Ke2 Q1ELKr Q1ELKr1TRK 0.23 0.54 0.610–5 1.310–5 K2 Q1/50 Q11TRK/150 290 160 1.8% trigger Km2 usato anche per monitorare il trigger Ke2 vari trigger di controllo acquisiti inefficienze ~ 0.1%, misurate direttamente Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Dati raccolti Presa dati: dal 23 giugno al 22 ottobre2007 112 K eventi selezionati, fondo < 10%, errore statistico ~ 0.3% Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Stategia di analisi Missing mass squared, (GeV/c2)2 Ke2 candidates: Mmiss2(e) K2 candidates: Mmiss2() Express analysis: ~3% of the 2007 K+ sample K2 background Analisi 2007  analoga 2003-2004 candidati Ke2 e Km2 raccolti simultaneamente cancellazione di alcuni effetti sistematici (p.e. parte della ricostruzione, efficienze di trigger) MC usato limitatamente: solo accettanza geometrica RK misurato in bin di impulso della traccia corretto per accettanza geometrica efficienza di trigger e efficienza di particle ID Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Background/1 sample Ke2 Fondo principale decadimento Km2: stimato (7.4 ± 0.2)% dalla misura di P(me) alone del fascio: stimato (1.3 ± 0.1)% usando runs con il fascio senza K+  Può essere ridotto con tagli più stretti sulla qualità del vertice Altri fondi Ke2g (SD): stimato (0.7 ± 0.1)% Ke3: stimato < 1%; K+ p+p0 no evidence at 1% level p, GeV/c P(e) from the  run stime fatte come? da MC? sample Km2 alone del fascio ~ 0.1% K+ p+p0 < 0.5% Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Background/2 Raw Ke2 candidates Background subtracted 3 settimane di fascio per studi di sistematica  settembre 2008 Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Risultati attesi Precisione attesa su Ke2/Km2 statistica ~ 0.3 % totale ~ 0.5 % Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Sommario RK I decadimenti Kl2 forniscono un’ottima opportunità per effettuare test di fisica oltre lo SM, in particolare RK Nell’ambito di SUSY, si aspetta LFV fino al 3% Presentati i risultati preliminari 2003 e 2004 Presentato l’esperimento NA62, la presa dati e lo stato attuale dell’analisi Errore statistico atteso ~ 0.3%, errore totale su RK ~ 0.5% Questa misura o troverà deviazione dal valore atteso dello SM o fornirà dei limiti molto stringenti nei parametri di SUSY Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Misura del BR(K+  p+nn) Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK NA62 CERN-SPSC-2005-013 SPSC-P-326 NA62 Birmingham, CERN, Dubna, Fairfax, Ferrara, Firenze, Frascati, Mainz, Merced, Mosca, Napoli, Perugia, Pisa, Protvino, Roma, Saclay, San Luis Potosi, Stanford, Sofia, Triumf, Torino Sviluppo temporale Proposta presentata al SPSC del CERN in settembre 2005 R&D sostenuta dal Research Board del CERN in dicembre 2005 Costruzione dei prototipi e test beam 2007 al CERN e LNF La fase di R&D sarà completata nel 2008 (tests in ottobre) Costruzione, installazione e test nel 2008-2010 Inizio presa dati nel 2011 In attesa di approvazione formale definitiva…….. Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Motivazioni di fisica KL→p0nn K+→p+nn KL→p0e+ e- KL→p0m+ m- decadimenti K → pnn golden modes test dello SM e del mixing dei quarks (unitarietà CKM) sondare effetti di NP Minimal Flavour Violation nuove sorgenti di rottura della simmetria di sapore (~TeV) processi FCNC che avvengono attraverso diagrammi a loop sensibili a Vtd Incertezze teoriche molto piccole: i contributi a corta distanza dominano, gli elementi di matrice adronici possono essere estratti da quantità misurate (Ke3). Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK State-of-the-art a b g h r KL  p0nn K+  p+nn Vud V*ub + Vcd V*cb + Vtd V*tb = 0 Predizioni SM (incertezze dagli elementi della matrice CKM): BR(K+p+nn)  (1.6×10-5)|Vcb|4[sh2+(rc-r)2]  (8.0 ± 1.1)×10-11 BR(KLp0nn)  (7.6×10-5)|Vcb|4h2  (3.0 ± 0.6)×10-11 Misura esistente: BR(K+p+nn) (E787/949 @BNL) (1.47 ) × 10-10 (3 eventi) Misura recente: BR(KL0p0nn) (E391a @ KEK) < 6.7 × 10-8 (90%CL) +1.30 -0.89 compatibile SM Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Limiti attuali Misura di E787/949 Limiti attuali nel piano r,h 100 events Mean=SM 100 events Mean=E787/949 Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Sensitività a K+p+nn Dalle misure di E787/949 e di E391a Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK NA62 – linee guida ~100 eventi K+ p+nn Basso livello di fondo Tecnica del decadimento in volo del K Fascio intenso di protoni dal SPS K di alta energia (PK = 75 GeV/c) Contatore Cerenkov per identificazione del K (CEDAR) BR(SM) = 8×10-11 Accettanza segnale 10% Decadimenti di K ~ 1013 Cinematica impulso del K: tracciatore di fascio impulso del p: Spettrometro qKp K+ p n m2miss=(PK-Pp)2 Calorimetro per rivelare g/m RICH (separazione p/m) Spettrometro per eliminare le particelle cariche Contatori di veto Identificazione di particelle Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Cinematica e fondi kinematically constrained NOT kinematically constrained 92% dei decadimenti del K 8% dei decadimenti del K definizione di una regione di segnale K+p+p0 determina la divisione in due parti: Regione I e Regione II attraversa la regione di segnale reiezione basata su Veto e particle ID Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Layout ~11 MHz of K+ decays K+ p+ n Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK I rivelatori CEDAR: Cherenkov differenziale per l’identificazione del K positivo nel fascio (50MHz) GIGATRACKER: Tracciamento del fascio (Si micropixel) a monte della regione di decadimento (800 MHz) CAMERE A STRAW: Spettrometro basato su 4 stazioni di camere a tubi straw per tracciare i prodotti di decadimento del K (~10 MHz) RICH: Ring Image Cherenkov, per rivelare il pione proveniente dal K positivo, distinguere muoni da pioni e per trigger veloce LAV: Veto per fotoni a grandi angoli (vetro al piombo) LKR: Veto per fotoni in avanti e calorimetro elettromagnetico (calorimetro a LKr di NA48) IRC/SAC: Veto per fotoni ad angoli piccoli e intermedi MUD e sweeper: rivelatore per muoni (calorimetro adronico di NA48 con ferro e piano di scintillatore per trigger veloce) con magnete deflettore del fascio non decaduto Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK

Universalità leptonica - RK Conclusioni Test di universalità leptonica con Kl2 Dati 2003-2004 DRK/RK ~ 2% ottimizzazione della strategia sperimentale Dati 2007 run dedicato, 4 mesi di presa dati precisione attesa ~ 0.5% analisi dei dati iniziata Misura del BR del decadimento K+ p+nn O(100) eventi in 2 anni di presa dati , fondo 10%, sensitivity ~ 10-12 fase di R&D in completamento nel 2008, in attesa di approvazione….. Un programma molto ricco nell’immediato futuro Stay tuned!! Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK