1 Il futuro della fisica dei K al CERN Incontri di Fisica delle Alte Energie (IFAE 2007) Napoli, 11/13 Aprile Gianluca Lamanna Università & INFN di Pisa Università & INFN di Pisa

2Gianluca Lamanna Outline Introduzione NA48/2+P326 NA48/2+P326: misura del rapporto Ke2/Kμ2 Analisi dei dati 2003 e 2004 Prospettive di miglioramento nel Run speciale 2007 P326 P326: misura del BR(K ± →  ± νν) Layout e caratteristiche del nuovo rivelatore Stato dell’R&D Conclusioni Conclusioni

3Gianluca Lamanna Introduzione Yea r ExpBea m Physics goal 1997NA48K L +K S  ’/  1998NA48K L +K S  ’/ , rare KL decay 1999NA48K L +K S  ’/ , rare KL decay KLKL Ke3/Kμ3 NA48/1Hi K S K S /hyperons decays 2000NA48KLKL  ’/  checks, rare neu KL decays  ’/  checks, η mass NA48/1Hi K S K S /hyperons decays, η NA48K L +K S  ’/ , rare KL decay 2002NA48/1Hi K S K S /hyperons decays, η NA48/2K + +K - Direct CP violation in K + → 3  decays and rare K +- decays 2004NA48/2K + +K P326K + +K - LKr ineff. and SAC test 2007NA48/2 – P326 K + +K - Ke2 Run, STRAW and RICH test >2008P326K + +K - K->  2 proposte: Misura del rapporto Ke2/Kμ2 (approvata per il 2007) Misura del BR(K →  ) (ancora non approvata, ma...) Nuova collaborazione rinforzata e motivata : CERN, Dubna, Ferrara, Florence, Frascati, Mainz, Merced, Moscow, Naples, Perugia, Protvino, Pisa, Rome I, Rome II, Saclay, San Luis Potosi, Sofia, TRIUMF, Turin.

4Gianluca Lamanna Ke2: Nel SM... La cancellazione in RK delle incertezze adroniche permette una misura precisa della struttura V-A e dell’universalità leptonica R K (SM) = (2.472 ± 0.001) x Previsione nel modello standard molto precisa La precisione sperimentale è lontana dalla precisione teorica Risultato ottenuto con ~1000 eventi (totale di 3 esperimenti)... Buon test del modello standard

5Gianluca Lamanna Ke2:...oltre il SM Oltre il SM: Masiero, Paradisi, Petronzio Phys. Rev. D74 (2006) : Variazioni dell’ordine del % Variazioni dell’ordine del % rispetto allo SM potrebbero essere introdotte dalla violazione del sapore leptonico dovuto allo scambio di particelle SUSY virtuali sRsR uLuL H+H+ eReR  (tan  ) 6 M -4 H L’effetto dipende dal valore dei parametri della SUSY (in particolare da (tan  ) 6 e M -4 H ) ~3.2% Per particolari (e possibili) valori dei parametri (tan  =40 e M H =500 GeV), la variazione rispetto allo SM e’ di ~3.2% talk P.Paradisi per maggiori dettagli

6Gianluca Lamanna Ke2: rivelatore Fasci simultanei di K+ e K- Spettrometro σ p /p = 1.0% % p [p in GeV/c] LKr σ E /E = 3.2%/sqrt(E) /E [E in GeV/c] PID confrontando l’energia nello spettrometro e nel calorimetro (E/p) Odoscopio per trigger L1

7Gianluca Lamanna Ke2: Analisi 2003 Trigger non ottimizzato per Ke2 (pochi trigger di controllo, grande downscaling,..) Presa dati contemporanea alla misura principale Fondo principale: K  2 che rilasciano molta energia nel LKr simulando un elettrone (E/p alto) Sistematica principale: eff. di trigger e sottrazione del fondo ~ 4000 ~ 4000 eventi selezionati Principali criteri di selezione di Ke2: Mx consistente con <E/p<1.05 (elettrone) Risultato preliminare presentato da L.Fiorini a HEP2005: R K = (2.416 ± ± 0.024) x 10 -5

8Gianluca Lamanna Ke2: Analisi h Run speciale (MB2004) (56 h) con trigger Q1*E(LKr)>10 e triggers di controllo ~4000 ~4000 eventi selezionati P<25 GeV Per P<25 GeV separazione cinematica tra Ke2 e K  2 ≈ 5 x La contaminazione di K  2 nel Ke2 è estrapolata dalla misura per P<25 GeV ≈ 5 x La dipendenza dall’energia di E/p dei muoni è sconosciuta Analisi in corso, risultato compatibile con quello del 2003

9Gianluca Lamanna Ke2: Run 2007 K e2 K2K2 75 GeV/c Migliore separazione cinematica con 75 GeV/c e dP/P=1.8 % Migliore risoluzione con aumento Pt Kick del magnete (120 -> 263 MeV/c) 120 giorni Richiesti 120 giorni di Run (60% di efficienza dell’SPS): ~1.6·10 5 spills (39.6/9.6 s) ~ Con stesso trigger del MB 2004 attesi ~ Ke2 Miglioramenti nel trigger possibili usando condizioni sulla distribuzione dell’energia nel LKr e/o sulla presenza di tracce nello spettrometro

10Gianluca Lamanna Ke2: Run 2007 LKr HOD(V) HOD(H) Lead Plate P<35 GeV ~43% No fondo per P<35 GeV (~43% del segnale): separazione cinematica P>35 GeV ~15% Per P>35 GeV il K  2 è il ~15% del Ke2 Lastra di piombo di 5 cm tra i due odoscopi Solo i muoni (identificati con dE/dx nell’HOD) arrivano al LKr nella regione dove è posta la lastra P>35 GeV Misura diretta dell’E/p dei muoni con P>35 GeV Precisa sottrazione del fondo R K ~0.34% Errore (statistico+trigger+sottrazione del fondo) su R K ~0.34% Piccolo contributo da altre sistematiche Ottima opportunità di osservare eventuali effetti di SUSY (per favorevoli valori dei parametri)

11Gianluca Lamanna Motivazioni teoriche nello SM Motivazioni teoriche nello SM I K permettono test quantitativi della matrice CKM indipendentemente dai B I decadimenti K->  sono golden mode perchè poco influenzati da incertezze adroniche Decadimenti molto rari Top t =V ts * V td Charm c =V cs * V cd Br(K ± →   ) → (8.0±1.1)· L’errore teorico è influenzato soprattutto dall’incertezza nella parte del charm

12Gianluca Lamanna Motivazioni teoriche oltre lo SM Motivazioni teoriche oltre lo SM E787/E949: BR(K + →  + ) = × (3 eventi) 100 eventi In accordo con SM 100 eventi su valore centrale sperimentaleSM 8.0 ± 1.1 MFV hep-ph/ EEWP NP B ± 2.1 EDSQ hep-ph/ MSSM hep-ph/

13Gianluca Lamanna Layout del detector Layout del detector Fascio molto intenso di K (non separato 800 MHz) Misura della cinematica del K e del  Sistema di veto ermetico per fotoni Efficiente PID

14Gianluca Lamanna Background Background Fondo cinematicamente costretto: ~92% Misura del 4-impulso del K e del  Fondo non cinematicamente costretto: ~8% Efficiente sistema di veto e di PID La presenza del fondo definisce due regioni per il segnale: Region I: 0<m 2 miss <0.01 (GeV/c 2 ) 2 Region II: 0.026<m 2 miss <0.068 (GeV/c 2 ) 2 KK K+K+  m 2 miss =(P K  P  ) 2

15Gianluca Lamanna Il fascio Il fascio K + decay rate: ~11 MHz CEDAR Gigatracker p 3x10 12 ppp 4.8/16.8 s K + 75 GeV (1%) Fraction of K = 6% Rate = 800 MHz 4.8x10 12 decay per year Collimator Collimato Collimator Collimator Collimator Muon sweeping quadrupole quadrupole Achromat Achromat ~80 eventi (SM) in due anni di presa dati (accettanza ~10% )

16Gianluca Lamanna CEDAR CEDAR Richieste: Buona risoluzione temporale (100 ps) Poco materiale sul fascio K/  Buona discriminazione K/  CEDAR: Detector Cerenkov già esistente Riempito con H 2 R&D: R&D: Test sul fascio (in H8) nel novembre 2006 Studio per la sostituzione dei PM

17Gianluca Lamanna Gigatracker Gigatracker SPIBES1 SPIBES2 FTPC mRichieste: Ottima risoluzione in impulso (<0.5%) e angolo (<17 urad) Ottima risoluzione temporale ( <150 ps per stazione) Poco materiale <<1 X0 Fascio di 1 GHz (60 MHz per cm2)GIGATRACKER: Detector ibrido (SPIBES+FTPC) Spibes: 300  mX300um pixel silicio. Readout direttamente sul sensore (tecnologia a 0.13  m). Spessore: 200  m(sensore)+100  m(chip di lettura) (0.4 X0) FTPC: Micromegas TPC simile a KABES. Gap di 25 um. Lettura con FADC a 1GHZ.R&D: Costruzione di un prototipo del sensore e del chip Test di resistenza alle radiazioni Disegno del sistema di raffreddamento e della meccanica

18Gianluca Lamanna Doppio spettrometro Doppio spettrometro 8.8 m 7.2 m 5.4 m 2.1 m z x y Richieste: Poco materiale Buona risoluzione spaziale Misura ridondante dell’impulso Veto per particelle cariche STRAW-TRACKER: 6 camere di straw tubes (4 layers), 2 magneti di 360 e 270 MeV di Pt kick Nel vuoto Risoluzione spaziale: 130  m Disposizione non collineare per vetare particelle cariche lungo la linea del fascio (ex. Ke4) Straw tubes: Mylar, 9.6 mm Ø, L=2.1 m, Gas CF 4 -CO 2 -isoC 4 H 10 R&D: Test su leakage Test meccanici nel vuoto Alla fine del Run 2007 test su fascio di un prototipo

19Gianluca Lamanna Veti per fotoni Veti per fotoniRichieste: Copertura ermetica (da 1 a 50 mrad) Alta efficienza di veto su fotoni >1 GeV Veti nel vuoto Alto rate di muoni ANTI: 13 anelli intorno alla regione di decadimento (10 a 50 mrad) LKr per fotoni in avanti SAC per fotoni a piccolo angolo IRC, ANTI0,... In zone particolari E  (GeV) Ineff < to > E  (GeV) Ineff <11 1 to to ,10 -5 > LKr ANTI (large)

20Gianluca Lamanna Veti a grande angolo Veti a grande angolo 16.8 cm 8.2 cm Due soluzione prese in considerazione: Lead+fibers (à la KLOE) e tiles lead+scintillator (à la CKM) à la KLOE à la KLOE: Prototipo costruito a LNF (99 lastre di piombo da 0.5 mm, fibre da 1 mm) ~8X0 di fibre scintillanti, ~9X0 alternato fibre e fili di piombo Lettura da due lati con guide di luce (18x2 canali) Test di efficienza su elettroni e fotoni taggati alla BTF di LNF à la CKM: 1mm PB+5mm scintillatore Lettura con fibre di WLS Prototipo costruito a FNAL attualmente a LNF per essere testato alla BTF

21Gianluca Lamanna Veto in avanti: LKr Veto in avanti: LKr vacuum Electron beam (25 GeV/c) Bremsstrahlung Kevlar window Drift chambers Magnet Calorimeter  e-e- LKr: Camera a ionizzazione quasi- omogenea a Krypton liquido Ottima risoluzione in energia Rivelatore già esistente, upgrade del readout Estensivi studi sull’efficienza di veto per fotoni: E>10 GeV : efficienza su  provenienti dal decadimento K->  0 E<10 GeV: run speciale in ottobre 2006 con fotoni provenienti dal bremsstrahlung di un fascio di elettroni a 25 GeV Il LKr soddisfa le richieste di efficienza come veto di  (preliminary)

22Gianluca Lamanna veto a piccolo angolo:SAC veto a piccolo angolo:SAC SAC: Rivelatore per fotoni sulla linea di fascio Il fascio carico è spostato dall’asse principale dal MAMUD calorimetro shashlyk (1.5 mm di piombo mm di scintillatore) Lettura con WLS Prototipo costruito e testato nell’ottobre 2006 Inefficienza raw ~5·10 -5 (very very preliminary) R&D: Analisi dei risultati del test beam Stessa tecnologia per IRC

23Gianluca Lamanna particle ID: RICH particle ID: RICH  1 atm Ne gas 18 m PMT’s PMT’s beam pipe mirror Richieste: Veto per il decadimento K->  Identificazione di  e  a >3  a 35 GeV Risoluzione temporale di 100 ps Possibilità di utilizzo nel trigger Utilizzo come spettrometro (di velocità) come misura ridondante dell’impulso dei  RICH: 18m con Neon (1 Atm) 2000 PM di 18 mm Ø (Hamamtsu 7400-U03) R&D: Nel run 2007 sarà testato un prototipo in scala 1:1 con 32 PMT per capire la risoluzione sull’angolo di cherenkov, il numero di fotoelettroni e la risoluzione temporale

24Gianluca Lamanna Particle ID: MAMUD Particle ID: MAMUDRichieste: Inefficienza su muoni Campo magnetico per deviare il fascio carico lontano dal SAC MAMUD: ~150 lastre di ferro (260cmX260cm) da 2 cm di spessore, strips di scintillatore (4cmX130cm) da 1 cm lette da WLS Campo magnetico da 0.9 TR&D: Progetto e simulazione della sezione magnetica Studio iniziato sul rivelatore

25Gianluca Lamanna Conclusioni Dopo aver contribuito in modo essenziale alla fisica delle particelle i K hanno ancora qualcosa da dire. buon test per la validità dello SMeffetti di nuova fisica Le accurate previsioni teoriche possibili per alcuni modi di decadimento costituiscono da un lato un buon test per la validità dello SM e dall’altro un buona opportunità per osservare effetti di nuova fisica. P326 NA48/2 La collaborazione P326, sfruttando le infrastrutture e parte del detector di NA48/2, contribuirà a questo programma con due misure: Misura del rapporto R K con un errore <1% Misura del rapporto R K con un errore <1% (approvato in presa dati dal 18/6 al 12/11) Misura del BR di K-  con circa 80 eventi Misura del BR di K-  con circa 80 eventi (in attesa di approvazione per run nel )

26Gianluca Lamanna

27Gianluca Lamanna Fondi principali Events/yearTotalRegion IRegion II Signal (acc=17%) K++0K++ K +  <0.1 K +  e +  +   ~2negligible~2 Other 3 – track decays ~1negligible~1 K++0K++0 1.3negligible1.3 K++K++ K +  e + (  + )  0, othersnegligible  Total bckg.93.06

28Gianluca Lamanna Altre opportunità Il flusso di K sarà circa 100 volte quello di NA48/2 Altri possibili studi: Cusp – like effects: K +  0  0 e + Lepton – flavour violation: K e2 /K  2,K +  +  + e -, K +  -  + e + Ricerca di nuove particelle: K +  +  0 X K +  +  0 P (pseudoscalar sGoldstino) Misura di decadimenti rari radiativi

29Gianluca Lamanna Rates ANTI: ~4 MHz (  )+~0.5 MHz (  ) (OR of 13 ANTI’s) LKr: Rate ~7 MHz (  ) + ~4 MHz (  )+~3 MHz (  ) MAMUD: Rate: ~7 MHz (  )+ ~3 MHz (  ) STRAW: Rate: ~45 KHz per tube (max 0.5 MHz) (  +  ) GIGATRACKER:Rate: 800 MHz (charged particles) ~50MHz/cm 2

30Gianluca Lamanna Misura di eff. di fotoni Aijimura et al. NIM in press

31Gianluca Lamanna BTF Prossimo test dal 16/4 Problemi con fondo diffuso di  provenienti dalla linea di trasporto del fascio

32Gianluca Lamanna Prototipo KLOE-like Fibre scintillanti da 1-mm di diametro Foglio di Piompo di 0.5-mm di spessore Inner/outer radius: 60 cm cm Inner/outer length: cm cm Readout : 18 celle, 4.2 x 4.2 cm2 Profondità: 25 cm, segmentato (~17 X0)

33Gianluca Lamanna Disposizione fibre KLOE fiber pattern: Lead:fiber:glue = 42:48:10% vol.

34Gianluca Lamanna FTPC T drift1 T drift2 Micromegas Gap 50 μm Micromegas Gap 50 μm

35Gianluca Lamanna LKr ionization chamber Quasi Homogeneous ionization chamber Liquid Kripton ~10 m 3 Liquid Kripton projective cells, 2X2 cm 2 Accordion geometry 27 radiation lenghts Energy Energy resolution (E in Gev): Space Space resolution (E in GeV): Time Time resolution: 500 ps

36Gianluca Lamanna Schema acceleratori CERN

37Gianluca Lamanna STRAWS : 1.Procurement of anode wire, mylar, glues, o-rings, alignment sensors and so on …August 06 2.Mylar metallization (Al)September 06 3.Production set of ~100 straws at Dubna October 06 4.Ultrasonic tooling preparation and development Oct-Dec 06 5.Production straw end-plugs, wire support plugs, twisters, end-plates and so on…. Nov-Dec 06 6.Prototype frame assembling and adjustment, 3-D geometry check January 07 7.Straw gas leakage test February 07 8.Prototype assembling March-April 07 9.Cosmic test at Dubna facility May Beam test inside the NA48 blue tube (?)Sept.-Oct. 07