Decadimenti di mesoni K per la ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard Mauro Piccini INFN Perugia Perugia – 30 Marzo 2011

Sommario L’esperimento NA62 Breve introduzione Il sistema de mesoni K e la violazione di CP Decadimenti rari dei K nel Modello Standard e oltre L’esperimento NA62 Il nuovo apparato sperimentale per la misura di BR(K+p+nn) NA62 fase I: la misura di RK = Γ(K± →e± ν) / Γ(K± →μ± ν) Attività del gruppo di Perugia Il RICH (Ring Imaging CHerenkov detector) di NA62 Test su prototipi al CERN e a Perugia Il read-out del RICH, contributo al trigger di NA62 _ Perugia, 30 Marzo 2011 2

Mixing di quark nello SM Per i quark gli stati di massa non corrispondono agli autostati di sapore Matrice CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) : Elementi diagonali non nulli  Violazione del sapore (angolo di Cabibbo, GIM) Con 3 (o più) famiglie di quark:  Violazione di CP nello SM C= operatore carica, inverte la carica dello stato P= operatore parità, inverte le coordinate spaziali Imponendo l’unitarietà della matrice CKM: Nf =2 Nfasi= 0  No Violazione di CP Nf =3 Nfasi= 1  Violazione di CP possibile Perugia, 30 Marzo 2011 3

Violazione diretta di CP L’origine della violazione di CP può essere imputata all’interazione debole nell’ambito del Modello Standard oppure si può introdurre una nuova interazione ad hoc (teoria superdebole) Uno dei sistemi ideali per studiare la violazione di CP è quello dei K neutri _ _ _ Definendo gli autostati di sapore come K0=sd e K0=ds, gli autostati di CP sono: Decade in 2p per conservare CP (vita media corta) Decade in 3p per conservare CP (vita media lunga) Già nel 1964 evidenza sperimentale di violazione di CP, ridefinizione degli autostati di massa: Nell’ambito del Modello Standard è prevista l’esistenza della violazione diretta di CP, la componente a vita media lunga K2 decade in 2p Perugia, 30 Marzo 2011 4

NA48 Violazione diretta di CP nei decadimenti dei K neutri NA48 NA48/1 Re(e’/e) = (14.7 ± 2.2) x 10-4 Misura di parametri di Violazione di CP NA48 NA48/1 Decadimenti rari del KS, prima osservazione e misura del BR di KS  p0e+e- e KS  p0m+m- NA48/2 Ricerca di violazione diretta di CP nei decadimenti K±→ 3p Misura delle lunghezze di scattering pp Perugia, 30 Marzo 2011 5

VudV*ub + VcdV*cb + VtdV*tb = 0 Decadimenti rari di K Le relazioni per l’unitarietà della matrice CKM possono essere espresse in termini di triangoli nel piano complesso; a questo scopo conviene usare la parametrizazione di Wolfenstein: Vus ~ l Vcb ~ l2 A Vub ~ l3 A(r- ih) Vtd ~ l3 A(1-r- ih) Ci sono sei relazioni da soddisfare per l’unitarietà, e quindi sei triangoli, in particolare: VudV*ub + VcdV*cb + VtdV*tb = 0 Golden modes VtdV*tb VudV*ub VcdV*cb Sensitive to |Vtd| KL →π0μ+μ– CP lt = Vtd V*ts Im lt = A2 l5 h Re lt = A2 l5 r Perugia, 30 Marzo 2011 6

Il decadimento K+p+n n _ Il decadimento K+p+n n Nell’ambito dello SM il processo è descritto con diagrammi a un loop definiti diagrammi a pinguino: Nel calcolo teorico del BR, le incertezze dovute all’elemento di matrice adronico vengono inglobate in un termine già ben misurato - BR(K+p0e+n) - la restante parte dell’errore teorico deriva dai parametri della matrice CKM: _ BR(K+p+n n)  (1.6×10-5)|Vcb|4[sh2+(rc-r)2]  (8.5 ± 0.7)×10-11 Decadimento sensibile a nuova fisica oltre lo SM, si possono testare indirettamente scale fino a Λ~100 TeV (complementare rispetto a LHC); molte le teorie in cui è previsto un BR maggiore: Minimal Flavour Violation (MFV) Minimal Supersymmetric extension of SM (MSSM) Light Higgs Theory (LHT) Perugia, 30 Marzo 2011 7

Stato dell’arte Compatibile con lo SM Due esperimenti a BNL (Brookhaven National Laboratory-USA) dal 1997 al 2004, 7 candidati identificati in totale (di cui 4 compatibili con il fondo): K+ fermati su un bersaglio circondato dal rivelatore Accettanza molto bassa, ~ 0.1% Compatibile con lo SM _ BR(K+ → p+ nn ) = (1.73+1.15-1.05)× 10-10 Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 191802 Perugia, 30 Marzo 2011 8

L’esperimento NA62 Collaborazione NA62 Bern ITP, Birmingham, Bristol, CERN, Dubna, Ferrara, Fairfax, Firenze, Frascati, Glasgow, IHEP, INR, Liverpool, Louvain, Mainz, Merced, Napoli, Perugia, Pisa, Roma I, Roma II, San Luis Potosi, SLAC, Sofia, TRIUMF, Torino Perugia, 30 Marzo 2011 9

Schema del rivelatore Decadimenti di Kaoni in volo da un fascio “non separato” a 75 GeV/c, prodotto da un fascio di protoni a 400 GeV/c estratto dall’SPS contro un bersaglio fisso di berillio (fascio a ~800 MHz, ~6% kaons) Le particelle non decadute viaggiano nel tubo a vuoto centrale Goal: misura di O(100) eventi in 2 anni di presa dati riducendo l’errore sistematico fino al livello di qualche % Perugia, 30 Marzo 2011 10

Tecnica di misura Rispetto a un esperimento con decadimenti da K fermi: Vantaggi: Più facile rivelare fotoni da decadimenti di fondo Più facile avere fasci ad alta intensità Svantaggi: Rivelatore e regione di decadimento di grandi dimensioni Necessità di misurare l’impulso di ogni K Fascio non separato di adroni Punti chiave: Reiezione cinematica Veto Trigger ad alte prestazioni Identificazione delle particelle (PID) Segnale difficile da identificare e raro: BRSM=8x10-11 Potenzialmente alta contaminazione da altri decadimenti di K Perugia, 30 Marzo 2011 11

Reiezione cinematica /I 92% del fondo cinematicamente separabile dal segnale La variabile fondamentale è la massa mancante, utilizzata per definire due regioni di segnale poco popolate dal fondo Estremamente importante avere buona risoluzione nella ricostruzione della massa mancante Necessario misurare sia l’impulso del kaone che quello del pione Ridurre il materiale (specialmente nella zona dello spettrometro magnetico) per minimizzare lo scattering multiplo Perugia, 30 Marzo 2011 12

Reiezione cinematica /II Il Gigatracker: 18000 pixel, rate di 150 kHz per ogni singolo pixel nella zona centrale Misura dell’impulso in un fascio ad alta intensità → 3 stazioni inserite in un sistema di dipoli Rivelatore sottile→200 mm di spessore per i pixel e 100 mm per il chip del readout chip (<0.5% X/X0 per stazione) Ottima risoluzione temporale per stringere le finestre di coincidenza con gli altri rivelatori→ risoluzione temporale minore di 200 ps raggiunta in test già effettuati Perugia, 30 Marzo 2011 13

Reiezione cinematica /III Spettrometro magnetico funzionante in vuoto per ridurre lo scattering multiplo 4 camere con 4 viste (piani di tubi) (ridondanza) Magnete Ptkick = 256 MeV/c Tubi a straws lunghi 2.1 m, fatti di mylar spesso 9.6 mm (<0.1% X/X0 per vista) Foro centrale per far passare le particelle non decadute del fascio (raggio 6 cm) Prototipi già testati al CERN nel 2007 e nel 2010 s(Pp)/Pp~ 0.3%0.007%*Pp (GeV/c) s(dX/dZ)/(dX/dZ)~ 45-15 mrad Perugia, 30 Marzo 2011 14

Veto e PID 8% di decadimenti dei K (potenziale fondo) non è cinematicamente separabile dal segnale (+ code di risoluzione) La reiezione di questi decadimenti si basa esclusivamente sui sistemi di veto e sulla PID Richieste per il sitema di veto: Grandi angoli (8.5-50 mrad): inefficenza <10-4 Angoli intermedi (1-8.5 mrad): inefficienza <10-5 Angoli piccoli (<1 mrad): inefficienza <10-3 Richieste per la PID: Identificazione dei K nel fascio iniziale prima del loro decadimento Separazione p-m: probabità di errore id ID minore di 10-2 Perugia, 30 Marzo 2011 15

Veto a largo angolo (LAV) 12 stazioni (ad anello) lungo la regione di decadimento (in vuoto) Piena copertura angolare fra 8.5 e 50 mrad I vetri-pimbo del calorimetro dell’esperimento OPAL sono stati riutilizzati Piu di 2500 cristalli (canali) in totale Blocchi controllati e testati a Frascati: inefficienza < 10-4 per positroni a 476 MeV risoluzione temporale di 700 ps 3 anelli già costruiti Perugia, 30 Marzo 2011 16

Veto ad angoli intermedi Fra 1.5 e 8 mrad viene riutilizzatto il vecchio calorimetro elettromagnetico a kripton liquido di NA48 Più di 13000 celle quasi omogenee (poco materiale passivo) 27 lunghezze di radiazione X0 Ottima risoluzione nella misura dell’energia Ottima risoluzione temporale (200 ps) Read-out completamente nuovo con ADC a 14 bits 40 MHz Le prestazioni come rivelatore in veto sono state misurate con un presa dati dedicata ed un fascio di K a 75 GeV Perugia, 30 Marzo 2011 17

Veto a piccoli angoli Tre piccoli rivelatori fanno parte di questa categoria: CHANTI: Posizionato dopo l’ultima stazione del Gigatracker per rivelare particelle provenienti da interazioni del fascio nei collimatori e nel Gigatracker stesso IRC: Per rivelare i fotoni in prossimità del tubo a vuoto dove passano le particelle del fascio non decadute, posizionato prima dell’LKr SAC: Posizionato alla fine dell’aria sperimentale, per rivelare i fotoni che passano attraverso il foro centrale dell’LKr Per tutti e tre i rivelatori la ricerca e lo sviluppo sono in fase avanzata, alcuni prototipi sono già stati prodotti Perugia, 30 Marzo 2011 18

PID dei K del fascio Scopo: Identificazione del Kaone nel fascio non separato per associarlo temporalmente ai prodotti di decadimento rivelati a valle. Questo permette di rilasciare le condizioni sullo scattering multiplo nel gas residuo presente nella zona di decadimento ( è sufficiente ottenere un vuoto a livello di 10-5 mbar). Tecnica: Rivelatore Cherenkov differenziale (il radiatore e H2) Riutilizzabile un vecchio rivelatore costruito al CERN negli anni ’70 Nuovo readout (fotomoltiplicatori e elettronica di lettura) Nuovo sistema di specchi deflettori per diminuire il rate sul singolo canale in lettura Perugia, 30 Marzo 2011 19

Identificazione di m Dopo il calorimetro elettromagnetico ci sono dei blocchi di ferro ai quali sopravvivono solo i m MUV1-2: Identificano il muone e contribuiscono alla reizione di decadimenti con m nelo stato finale (assieme al RICH) MUV3: Identificazione veloce dei m a scopi di trigger, moduli di scintillatore con superficie 22x22 cm2 letti da 2 PM Risoluzione temporale migliore di 1 ns gia raggiunta in test su fascio LKr MUV 1-2 MUV 3 Perugia, 30 Marzo 2011 20

Trigger e acquisizione dati L0: Trigger hardware, scelta basata su segnali veloci prodotti dai sistemi di lettura L1: Trigger software basato sulle informazioni provenienti da singoli rivelatori (più dettagli, migliori risoluzioni) L2: Trigger Software basato sui dati di tutti i rivelatori (informazioni correlate) PC L0 trigger Trigger primitives Data CDR O(KHz) EB GigaEth SWITCH L2 L1 RICH MUV CEDAR LKR STRAWS LAV L0TP L0 1 MHz 10 MHz Perugia, 30 Marzo 2011 21

NA62: proiezioni 4.8·1012 decadimenti per anno (ragionevole, circa 4 mesi di presa dati) flusso x50 rispetto a NA48 (con la stessa intensità di protoni dall’SPS) reiezione p0 a livello di 2·108 Accettanza per il segnale O(10%) Assunzione: 100% efficienza di trigger Perugia, 30 Marzo 2011 22

V. Cirigliano, I. Rosell (JHEP 0710, 2007, 005) NA62 fase I Definizione di RK=Γ(K± →e± ν) / Γ(K± →μ± ν) Test dell’Universalità Leptonica e dell’accoppiamento V-A Predizione accurata del Modello Standard: RK = = (2.477 ± 0.001)  10-5 V. Cirigliano, I. Rosell (JHEP 0710, 2007, 005) RK e SUSY: Masiero, Paradisi, Petronzio (hep-ph/0511289 PRD74,2006) violazioni supersimmetriche del sapore leptonico (SUSY LFV) possono modificare il valore di Rk del 2-3 % RKSUSY = RKSM · (1+RSUSY) con |RSUSY| ~ 2-3% Misura con parte dei dati raccolti nel 2007 ad hoc: Phys.Lett.B698:105-114,2011 In accordo con lo SM Perugia, 30 Marzo 2011 23

Il RICH di NA62 Per ridurre il fondo del decadimento K+  m+n a livello del % rispetto al segnale e necessario un fattore di soppressione 10-12, fattore raggiungibile se oltre alla cinematica e al MUV (già visti) si utilizza un RICH (Ring Imaging Cherenkov detector) . La costruzione e il funzionamento del RICH di NA62 sono sotto la responsabilità dei gruppi di Perugia (G. Anzivino, P. Cenci, E. Marinova, M. Pepe, R. Piandani, M. P.) Il RICH sarà determinante anche nella decisione del trigger di primo livello (hardware) per decidere se gli eventi saranno acquisiti (trigger di molteplicità). Inoltre misurerà il tempo di transito dei prodotti di decadimento carichi da associare ai K carichi tracciati nel Gigatracker e identificati nel CEDAR Perugia, 30 Marzo 2011 24

Principio di funzionamento Il RICH rivela i fotoni prodotti per effetto C. da particelle cariche che viaggiano in un mezzo a velocità maggiori della luce nel mezzo stesso. L’angolo di emissione di tali fotoni rispetto alla direzione della particella può essere messo in relazione alla velocità della particella stessa. Il RICH permette di misurare l’angolo Cherenkov dei fotoni emessi e quindi la velocità della particella tramite la ricostruzione dell’anello che si ottiene se si rivelano i fotoni nel piano focale di uno specchio sferico che li ha riflessi. Se si misura indipendentemente l’impulso della particella (con uno spettrometro) si può risalire alla massa della particella e quindi identificarla. Perugia, 30 Marzo 2011 25

Schema Filled with Neon Beam Vessel: Mirror Mosaic ~18 m long, 17 m focal length Beam Pipe 2 x ~1000 PMT Vessel: ~18 m long, ~3.7 m diameter Beam Filled with Neon Perugia, 30 Marzo 2011 26

Caratteristiche del RICH Mezzo radiatore: Neon a pressione atmosferica (n-1) = 62.8 x10-6 a =300 nm (bassa dispersione) basso peso atomico  X0 piccola  riduzione dello scattering multiplo p2soglia = m2/(n2-1) = (12 GeV/c)2 per  Specchi: Forma esagonale inscritti in cerchio di diametro 70 cm 17 m di lunghezza focale, 18 specchi + 2 semi-esagonali al centro Fotomoltiplicatori: Hamamatsu R7400 U03 Collettori di luce: Coni di Winston 18 mm di diamentro Perugia, 30 Marzo 2011 27

Prototipi del RICH 2 prototipi testati su fascio nel 2007 (RICH-100) e nel 2009 (RICH-400); utilizzato sempre lo stesso cilindro lungo ~18 m e di diametro ~60 cm riempito con Ne a 1 atm. Provati 2 specchi con f=17 m, d=50 cm, e spessore 2.5 cm Prototipo RICH-100: 96 PM Hamamatsu R7400 U03/U06 Misura risoluzione temporale e scelta PM Prototipo RICH-400: 414 PMT Hamamatsu R7400 U03 Misura della separazione p-m Perugia, 30 Marzo 2011 28

Risultati del test 2009 e “m” p Illuminazione PM @15 GeV Raggio anello e @15 GeV @35 GeV “m” p Il “µ” @ 15 (35) GeV/c in realtà è un π @ 20 (46.2) GeV/c Fattore di soppressione integrato per m: ~0.7% Risoluzione temporale Perugia, 30 Marzo 2011 29

Attività recenti sul RICH I test del 2007 e del 2009 hanno evidenziato che le prestazioni necessarie per il RICH di NA62 sono raggiungibili e che la tecnica di costruzione è adeguata allo scopo e fattibile. Nucl. Instrum. Meth. A 593 (2008) 314. Nucl. Instrum. Meth. A 621 (2010) 205. Attualmente, per quanto riguarda il gruppo di Perugia, il lavoro prosegue sui seguenti argomenti: Analisi di parte dei dati del test del 2009 - Effetti di contaminazione del Neon - Riflettività dei coni di Winston Completamento e ottimizzazione del Monte-Carlo di NA62 - Librerie per la simulazione veloce del RICH - Simulazione completa del LKr Studi sul funzionamento dei fotomoltiplicatori immersi nel Neon Implementazione del Read-out del RICH e della parte di Trigger basata sul RICH Test e caratterizzazione dei fotomoltiplicatori Perugia, 30 Marzo 2011 30

PM immersi nel Neon Configurazione base: Nuova configurazione: La finestra di quarzo (incollata alla flangia) garantisce la separazione fra il Ne nel cilindro e l’aria nella zona dei PM. Tuttavia la presenza della finestra introduce due riflessioni parziali, riducendo di circa il 10% il numero di fotoni che raggiungono i PM. Nuova configurazione: I PM sono immersi nel Neon, la separazione fra Ne e aria è garantita da un feed-through che garantisce anche la connessione elettrica fra partitore e PM. Da provare: Tenuta Assenza di scarica (200V fra 2 mm in Ne) Perugia, 30 Marzo 2011 31

Il separatore Essenziale il contributo dell’officina meccanica e del laboratorio di elettronica per la preparazione e la realizzazione dei componenti utilizzati nelle verifiche in laboratorio Durante i test di tenuta preziosa la collaborazione del Prof. Sacchetti Perugia, 30 Marzo 2011 32

Risultati La realizzazione di un separatore che garantisca la purezza del Ne è possibile. Tuttavia con i PM immersi nel Neon sono state misurate scariche già a 700 V (punto di lavoro a 900 V). Lasciando contaminare il Neon dall’aria le scariche iniziano già a partire da 500 V. Perugia, 30 Marzo 2011 33

La catena di readout Nel nostro laboratorio abbiamo implementato (in scala, 24 canali rispetto ai 2000 finali) l’intera catena di read-out del RICH TDC Scheda gestione dati PC di acquisizione Distributore HV Preamplificatori Discriminatori HV Flangia PM Generatore del clock Camera contenimento del laser Perugia, 30 Marzo 2011 34

Risoluzione temporale PM Il sistema permette di verificare le risoluzioni temporali e le efficienze dei 2000 fotomoltiplicatori che saranno utilizzati nel RICH Perugia, 30 Marzo 2011 35

E’ il cuore del sistema di lettura e di trigger TELL1/TEL62 E’ il cuore del sistema di lettura e di trigger Carte con TDC CPU (linux SLC4) 4 porte Gb FPGA (Field programmable Gate Array) Per la gestione dei dati provenienti dai TDC FPGA per la gestione dati Perugia, 30 Marzo 2011 36

TEL62 Tell1  sviluppata per LHCb Nucl Instrum Meth A 560 (2006) 494. Tel62 nuova versione per NA62: + unità logiche nelle FPGA (a parità di connessioni) memorie DDR2 per la scrittura temporanea dei dati più capienti Oltre a gestire la ricezione dei tempi misurati dai TDC, provvede al riordino e all’impacchettamento dei dati e alla loro spedizione ai PC di acquisizione attraverso le porte Gbit ethernet. Nelle FPGA saranno implementati algoritmi di selezione veloci che contribuiranno al trigger di livello 0 (L0) dell’intero esperimento Perugia, 30 Marzo 2011 37

Work in progress! Perugia, 30 Marzo 2011 38