F.Spada0 Produzione da neutrino di particelle charmate nell’esperimento CHORUS Francesca Spada Dottorato di Ricerca in Fisica XIV ciclo 16/1/2002.

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1 F.Spada0 Produzione da neutrino di particelle charmate nell’esperimento CHORUS Francesca Spada Dottorato di Ricerca in Fisica XIV ciclo 16/1/2002

2 F.Spada1 Sommario Motivazioni Descrizione dell’esperimento Produzione di charm in DIS Scanning delle emulsioni Descrizione della tecnica di analisi Risultato della misura Prospettive

3 F.Spada2 In origine: ricerca di oscillazioni    per apparizione del  prodotto in CC di  Bersaglio attivo di 800 Kg di emulsioni nucleari risoluzione del micron, visibile la traccia del  (~ 1 mm) e la deviazione dovuta al decadimento Adroni charmati hanno  c  simile sono rivelabili in emulsione con la stessa procedura KINK L’esperimento CHORUS US

4 F.Spada3 Il fascio di neutrini CHORUS è stato esposto per 4 anni al WBB del SPS al CERN WBB: intenso fascio di   con ~ 27 GeV E protons = 450 GeV 5. 10 19 POTs per 840000 interazioni di CC di  in emulsione

5 F.Spada4  Active target:  bersaglio di emulsioni nucleari  tracciatore a fibre scintillanti  Magnete in aria + tracker:  momento degli adroni (fino a 20 GeV)   p /p = 0.035 p (GeV)  0.22  Calorimetro in piombo e fibra:   E/E = 32% /  E (hadrons)  = 14% /  E (electrons)   hadrons = 60 mrad @ 10 GeV  Spettrometro per muoni:   p /p = 10 – 15% up to 70 GeV Active target Calorimetro Spettrometro Magnete in aria Honeycomb Chambers Il rivelatore

6 F.Spada5 Il bersaglio 8 moduli di tracciatori a fibre scintillanti: risoluzione sull’estrapolazione al CS ~ 150 µm in posizione e ~ 2 mrad in angolo 8 changeable sheets + 4 special sheets: migliora la predizione per la ricerca di tracce in emulsione BULK: 4 stack di emulsione (1.4 x 1.4 m 2 ) ogni stack è suddiviso in 36 plates Plate: film di 90 µm plastica trasparente + fogli di 350 µm di emulsione sulle due facce Emulsione Plastica

7 F.Spada6 Produzione di charm in DIS   W+W+ d, sd, s c Processi che contribuiscono (a livello partonico): Cabibbo-soppresso Soppresso per la scarsa abbondanza di s nel mare Sezione d’urto di produzione di charm su bersaglio isoscalare: u = u p = d n d = d p = u n s = s p = s n  = x(1+m c 2 /Q 2 ) Fattore di soppressione dallo spazio delle fasi: m c 2 /s ~ 0.4 a E = 20 GeVˆ

8 F.Spada7 Produzione di charm in DIS Per avere una stima dell’abbondanza di c in CC di  : s ~  s s(x) = s(x) = c(x) = c(x) ˆ -- 1 - m c 2 /s ~ 0.6 a 20 GeVˆ Q = x q(x) dx   Usando:  s = 2S/(U + D) = 0.061 ± 0.004  = 2S/(U + D) = 0.40 ± 0.05 E531 trova (4.9 ± 0.7 )% ---

9 F.Spada8 Processo  N  - c X non e’ direttamente osservabile da un esperimento Adronizzazione: processo forte di bassa energia (~ m H ) non perturbativo Descritto in termini di funzioni di frammentazione D H/q (z,p  ) Varie parametrizzazioni fenomenologiche: Es: parametrizzazione di Peterson Non esistono modelli affidabili per le abbondanze relative f H vanno misurate Probabilita’ che il quark q adronizzi in H con impulso trasverso p  e impulso longitudinale p = zp max p max ~ p q ad alte energie Frammentazione

10 F.Spada9 Altri meccanismi di produzione Descrizione nel modello a partoni valida ad alto Q 2 A basso Q 2 intervengono altri meccanismi di produzione Scattering quasielastico non c’e’ rottura del nucleo singolo barione nello stato finale:  N  -  c nel limite E >> m N la sezione d’urto e’ indipendente da E dalla misura di E531 upper limit sulla produzione QE Produzione diffrattiva W + converte in cs o cd che interagiscono adronicamente col nulceone dando D s, D * s, D +, D * produzione di D* e’ C-soppressa (~ 4 10 -2 ) rispetto a D * s da NuTeV  diff /  charm ~ 3.5% a E =130 GeV - -

11 F.Spada10 Stato degli esperimenti Dimuoni Detector molto massivi - alta statistica Sensibili solo ai decadimenti del charm con  Hanno bisogno di f(D 0 ), f(D + ), f(D s ), f(  c ) per misurare gli altri parametri della fisica del charm Background importante da decadimenti in  di  e K  N    C X     X’

12 F.Spada11 Stato degli esperimenti E531 Esposto nel periodo 1978-1981 al WBB del Fermilab (E ~ 22 GeV) Esperimento ibrido detector elettronico/emulsione (91 Kg) Ricostruzione cinematica completa dell’evento Possibile PID evento per evento Campione: 121 eventi contenenti il decadimento di un charm 0.2 nei neutri Fondo atteso: 3.6 nei carichi Ha fornito la misura piú recente di f(D 0 ), f(D + ), f(D s ), f(  c )

13 F.Spada12 Perché emulsioni per la fisica del charm… Identificazione diretta del charm analisi non limitata al canale di decadimento in  Ricchezza di informazione sull’adrone che decade Soppressione del fondo da adroni non charmati MA… per avere alta statistica c’ è bisogno di MOLTO lavoro di scanning! CHORUS potrá essere il primo esperimento di emulsioni ad alta statistica per la fisica del charm

14 F.Spada13 Netscan E’ una innovativa tecnica di scanning automatico delle emulsioni DAQ Track Selector Usa eventi giá localizzati in emulsione Acquisisce tutti i segmenti di traccia in un volume fiduciale profondo 8-plates intorno alla traccia di scan-back  La ricerca del decadimento non è limitata alla traccia di scan-back L’analisi dei dati di emulsione avviene offline Accesso alla topologia completa dell’evento Volume Fiduciale

15 F.Spada14 Netscan La procedura di scan-back Inseguimento della traccia e ricerca del vertice: Efficienza di localizzazione ~ 40% per eventi con µ Completamente automatico (Track Selector) Fibre trackersFogli di interfacciaBulk (risol. 150 µm in posizione e 2.5 mrad in angolo) (risol. 30 µm in posizione e 2 mrad in angolo) La plate in cui la traccia scompare contiene il vertice dell’evento

16 F.Spada15 Acquisisce 16 immagini per plate Sposta ogni piano secondo l’angolo dato dalle predizioni Somma i segnali Una traccia si riconosce dal picco Netscan Track Selector Principio: trasformare informazione tridimensionale in tomografie (bidimensionali) Metodo: Microscopio controllato da software + CCD + videoprocessore hardware

17 F.Spada16 Netscan Ricostruzione degli eventi Dopo la DAQ ~ 10000 segmenti/evento Offline: Alla fine ~ 40 tracce/evento Segmenti di traccia da 8 plates sovrapposte Tracce di almeno 2 segmenti Eliminate le tracce passanti Ricostruzione completa della topologia del vertice AllineamentoTrackingVerticiRiduzione del fondo

18 F.Spada17 Selezione di eventi con charm Nell’output di Netscan sono ancora presenti tracce di fondo (cosmici, radioattivitá, muoni passanti) Necessaria ulteriore selezione per mantenere fattibile lo scanning manuale taglio su parametro d’impatto richiesta di matching di una traccia nel Target Tracker TT match = 2.4 tracce/evento Purezza ~ 63% (bg: interazioni secondarie,  rays, conversioni di , tracce di basso momento) Efficienza:  =  Netscan  Sel = 55% Criterio di selezione: eventi con 2 vertici distinti costruiti con tracce affidabili Vertice di interazione Vertice di decadimento D0D0 Tracce TT-matched  geo  rec 90% 65%

19 F.Spada18 Manual check Confermare (o scartare) gli eventi selezionati Migliorare le misure dei parametri di tracce e vertici La traccia selezionata e’ inseguita fino a trovare il vertice primario e il vertice di decadimento Possibili fondi: traccia non appartenente all’evento interazione secondaria conversione di fotoni Traccia di BG di basso momento Interazione secondaria Traccia passante Coda di parametro d’impatto Conversione di 

20 F.Spada19 CHORUS vs. E531 CHORUS: Statistica attuale: 533 charm confermati (completa ~ 3000) Informazione sulla cinematica limitata a energia adronica totale e momento del µ Impossibile identificare il tipo di adrone charmato evento per evento E531 Statistica: 121 charm confermati Informazione cinematica completa Identificazione dell’adrone charmato tramite la sua massa invariante

21 F.Spada20 Data set 27000 eventi Netscan (18% delle interazioni CC gia’ localizzate in emulsione) 841 selezionati come candidati charm 533 charm confermati 240 decadimenti di adroni carichi (167 completamente misurati al manual check e nel detector elettronico)

22 F.Spada21 La simulazione Campione: 10000 CC con produzione di charm al primario Frazioni relative di partenza prese da E531 Tagli per lo scan-back: vertice ricostruito in emulsione P µ < 30 GeV,  µ < 400 mrad E had > 4 GeV Accettanza geometrica di Netscan: vertice secondario nel volume fiduciale -400 <  y,z < 400 mrad Simulazione della selezione: IP > IP max (  ) a  kink > 10 mrad a  TT <  max (  ) Campione finale: 1692 eventi con adroni charmati carichi

23 F.Spada22 Confronto dati-MC Lunghezza di decadimento data MC

24 F.Spada23 Confronto dati-MC Angolo di decadimento data MC

25 F.Spada24 Confronto dati-MC Energia adronica data MC

26 F.Spada25 Stima del fondo White Kinks: interazioni elastiche di p e K senza tracce di rottura del nucleo Simulazione MC di 14000 eventi con WK l WK ~ 8 m Applicati gli stessi tagli cinematici usati per il charm Distribuzioni cinematiche del fondo sottratte da quelle dei dati usate nel fit Numero di eventi atteso: N WK = f SEL f FID N LOC  = 5 (su 167)

27 F.Spada26 Procedura di fit Fit: determinare la combinazione di distribuzioni simulate per D +, D s,  c che meglio riproduce quella dei dati Scelta delle variabili cinematiche piu’ significative Scelta del binning Costruzione delle distribuzioni di probabilita’ P(D + ), P(D s ), P(  c ) Minimizzazione del  2

28 F.Spada27 Scelta di variabili e binning 167 eventi da distribuire nella suddivisione scelta per lo spazio delle fasi Scelta delle variabili: buon accordo col MC buona separazione di D +, D s,  c Scelta del numero di variabili e del binning: avere ~10 eventi per cella compromesso tra grandezza dello spazio delle fasi e significativita’ delle distribuzioni Scelta finale: 3 variabili x 2 bin l decay,  decay correlate con c  E had buona separazione

29 F.Spada28 Minimizzazione del  2 N bin = numero di bin usati contenuto teorico della i-ma cella = frazione di D + da MC nell’i-ma cella (e analoghi per D s e  c ) = = varianza dell’i-ma cella ,  = parametri liberi = f(D + ), f(D s ) f(  c ) = 1 -  -  = = Fluttuazione del contenuto atteso della cella Incertezza sul contenuto atteso della cella,

30 F.Spada29 Minimizzazione del  2 Binning massimizzare le differenze fra i tre adroni Fit MINUIT Ripetuto per piccole variazioni dei bordi delle celle Risultati compatibili entro gli errori Tipici  2 per le tre particelle separate:  2 D+ = 28  2 Ds = 31  2  c = 51(ndof = 6) il test e’ significativo Stima dell’errore: ,  media degli errori sui vari fit f(  c ) variazione rispetto al valore centrale che da’  2 = 1

31 F.Spada30 Risultato dell’analisi Confronto con E531: Risultati compatibili entro gli errori f(D + ) = (48 ± 12)%f(D s ) = (9 ± 7)% f(  c ) = (43 ± 11)% Attenzione: range energetico e tagli cinematici leggermente diversi Le frazioni di CHORUS non sono corrette per le diverse efficienze su adroni diversi

32 F.Spada31 Prospettive Misura gia’ compatibile con E531 Buon accordo col MC Fiducia nella qualita’ dei dati Errori gia’ dello stesso o.d.g. di quelli di E531 Analisi della statistica completa Aggiunta al sample degli eventi con p µ > 30 GeV Statistica finale sara’ ~ 10 volte quella attuale Atteso un miglioramento significativo della misura di f(D + ), f(D s ), f(  c )