Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I1 Possibile futuro per fisica dei K al CERN Augusto Ceccucci/CERN Decadimenti rari dei K ed il modello standard.

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1 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I1 Possibile futuro per fisica dei K al CERN Augusto Ceccucci/CERN Decadimenti rari dei K ed il modello standard Stato dell’arte Prospettive Opportunita` al CERN NA48/3 K + →  +   NA48/4 K L →  0 ee (  ) NA48/5 K L →  0  NA48/6 Misura piu` precisa di K s →  0 ee (  ) (Non necessariamente in ordine cronologico)

2 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I2 Mesoni K e Modello Standard J CP =2  (Area Triangolo) unica misura di Violazione CP in SM J CP = Im(V ud * V us V ts * V td ) ~ cos  c sin  c Im  t Nella parametrizzazione di Wolfenstein (, A, ,  ): Im t = A 2 5 , Re t = A 2 5  Violazione CP (Santo Gral)

3 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I3 Usando A CP (J/  K S ) e  k si predice: BR(K + →  ) = 7.1 ± 1.0 × 10 -11 (Kettell, Nguyen, Landsberg, hep-ph/0212321 ) K + →  +  la teoria Motivazione: misura di |V td | Elemento di matrice adronico ben misurato (K + →  0 e - ) Correzioni isospin + EW (r K+ = 0.901) Incertezze legate al contributo del charm ~ 10% Nessun contributo da fisica a lungo raggio QCD NLO Buchalla, Buras 1994

4 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I4 K + →  +  gli esperimenti Regione I 211 < P < 229 MeV/c Regione II 150 < P < 195 MeV/c ++ in the K + CM

5 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I5 Data 1995-1998 Pub.1997-2002 Decadimenti a riposo (~6 ×10 12 ) Analisi Regione I: 2 eventi fondo: 0.15 ± 0.05 K + →  +  Regione I: AGS-E787 BR(K + →  + ) = 1.57 +1.75 -0.83 × 10 -10 0.29 < | t |/10 -3 < 1.2 68% CL PRL 88 2002

6 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I6 K + →  + Regione II: AGS-E787 1997 (preliminare) –Nessun candidato –Fondo atteso 0.5 ± 0.2 Dati 1996 Dati 1997 Nuovo Risultato 1996 –Un evento –Fondo atteso 0.7 ± 0.2 BR(K + →  + ) < 22 × 10 -10 @90%CL PLB 537 2002 C’e` molta strada da percorrere...

7 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I7 K L →  0 ee (  ): la teoria Violazione diretta di CP –Dal fit al triangolo CKM: Im t = (1.36 ± 0.12) 10 -4 –B(K L →  0 ee) CPV-dir =(2.4 ± 0.2) ×10 -12 × (Im t /10 -4 ) 2 = (3.2 ± 0.4) × 10 -12 Buchalla, D’Ambrosio, Isidori, (BDI) hep-ph/0308008 Violazione indiretta di CP – BR(K S →  0 ee) = (5.8 +2.8 -2.3 (stat) ± 0.8(syst))×10 -9 (NA48/1) –|a s |=1.06 +0.26 -0.21 (stat) ± 0.05 (syst) (NA48/1) –BR(K L →  0 ee) CPV-ind ~1/330 BR(K S →  0 ee)~ 1-3 10 -11 –NON PUO` ESSERE IGNORATA! –Le due componenti interferiscono ma il segno dell’interferenza non e` determinato sperimentalmente –La sensitivita` a Im t aumenta o diminuisce a seconda del segno Contributo che conserva CP (J=2) –BR(K L →  0 ee) CPC < 3 ×10 -12 (BDI)

8 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I8 Sensitivita` Im t SE l’interferenza e` costruttiva, la sensitivita` a Im t aumenta

9 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I9 K L →  0 ee: la difficolta` sperimentale K L → ee  attraversa La regione di segnale (BR~6 10 -7 !!) K L →  0  0  0 D,  e +  0 acc DATI KTeV 1999 K L →  0  0  0,  e  +  acc e +  X e - X  X M(ee  ) e` calcolata assumendo m(  =m(  0 ) M(  ) e` calcolata utilizzando il vertice carico Questa procedura migliora la risoluzione ma porta ad una correlazione ben visibile

10 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I10 K L →  0 ee vs. K L → ee  cinematica Angolo minimo fra un elettrone ed un fotone K L → ee  distribuzione “radiativa”  0 →  distribuzione “isotropica” cos   0 Asimmetria  0 → 

11 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I11 KTeV: K L →  0 ee Un candidato al centro (?!) della regione di segnale… …ma consistente con il fondo atteso: 0.99 ± 0.33 events Combinando 1997 e 1999: BR(K L →  0 ee ) < 3.5 × 10 -10 @90%CL BR(K L →  0 ee ) < 2.8 × 10 -10 @90%CL

12 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I12 K L →  0  (Santo Gral) Errore teorico ~2%: Pura Violazione di CP (Littenberg, 1989) Completamente dominato dal quark t Calcolato in QCD NLO (Buchalla Buras, 1994) Nessun contributo a lungo raggio SM~3 × 10 -11 Sperimentalmente: stato iniziale e 2/3 stato finale invisibili!! Il miglior limite e` stato posto da KTeV sfruttando il decadimento Dalitz   →ee  BR(K 0 →  0 ) < 5.9 × 10 -7 90% CL Ancora lontano dal limite “model independent”: BR(K 0 →  0 ) < 4.4 × BR(K + →  + ) < 1.7 10 -9 Grossman & Nir, PL B407 (1997)

13 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I13 Lo stato dell’arte ESISTE L’OPPORTUNITA` DI TESTARE A FONDO IL MESCOLAMENTO DEI QUARK E LA VIOLAZIONE DI CP TRAMITE I DECADIMENTI RARI G. Isidori

14 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I14 K + →  +  Prospettive

15 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I15 K + →  + E949 Continuazione di E787 –Migliorati i veti per fotoni 12 settimane di presa dati nel 2002: Analisi in corso, ci si auspica: –Sensitivita` Regione II molto migliorata –Sensitivita` (I + II) 2002 simile a quella di E787 Approvati per 60 settimane… –Ma… nessuno sa se e quando l’esperimento continuera` la presa dati Lettera di intenti a J-PARC basata sulla stessa tecnica.

16 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I16 CKM@FNAL-MI Proposta per misurare ~100 K + →  +  (in volo) Ridondanza: spettrometri magnetici e RICH (per K e  ) Il necessario R&D e` stato completato: –Costruito prototipo di SCRF per il fascio di K separato (22 GeV/c) –Inefficienza dei veti per fotoni e` 5×10 -6 @ 1 GeV (misurata) Un fattore 6 meglio del necessario –Operazione in vuoto dei tubi a “straw” dimostrata

17 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I17 Stato di CKM Esperimento molto ambizioso…. …ma anche molto costoso (100 M$) Recentemente HEPAP-P5 non ne ha ratificato l’approvazione

18 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I18 K 0 →  0 ee (  )  Prospettive Con la scomparsa di KAMI non vi sono al momento proposte per perseguire questo studio

19 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I19 K 0 →  0  Prospettive

20 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I20 E391a@PS-KEK E` il primo esperimento dedicato per cercare K L →    SES~ 3 10 -10 Basato su veti ermetici a fascio neutro molto collimato Presa dati (~100 giorni) durante il 2004 Questa iniziativa potrebbe continuare a J-PARC

21 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I21 KOPIO@BNL (2009?) Propone di raccogliere 60 K L →    con Segnale/Fondo ~2 (Im t ~ 15%) Misurare tutto quanto possibile: –Energia, Posizione ed angolo per ogni fotone Lavorare nel centro di massa –Fascio AGS con microstruttura –Uso del tempo dI volo per misurare l’impulso del K L Inizio costruzione nel 2005?

22 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I22 Opportunita` al CERN Cogne (Autunno 2004): Rivista dei Programmi all’SPS dopo il 2005

23 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I23 NA48/3: K + →    Il principio Massimizzare il numero di K per protone per ridurre proporzionalmente i fondi accidentali non derivanti dal decadimento di K Minimizzare la quantita` di materiale nel fascio per evitare interazioni adroniche Ottimizzare la regione fiduciale e l’energia del fascio per far si che i prodotti di decadimento dei pioni presenti nel fascio restino nel tubo a vuoto senza popolare le camere a fili

24 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I24 NA48/3 K + →    –Fase I, dal 2006: Fascio di K non separato (~ 7 eventi all’anno secondo predizione del Modello Standard) Lo studio di fattibilita`, basato sui dati raccolti quest’anno da NA48/2, e` in corso Flusso di K circa 20 volte NA48/2 4 x NA48/2 gia` testato quest’anno Il miglioramento (rimpiazzo) di alcuni rivelatori e` necessario, in particolare il rifacimento completo del sistema di veti La possibilita` di utilizzare le camere a deriva attuali resta da verificare L’aggiunta di discriminazione K/  appare necessaria –Fase II: Fascio di K separato → ~ 100 eventi/anno

25 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I25 NA48/3: Protonomica NA48/2 ~ 10 11 decadimenti in 1 anno (~100 giorni) Si puo` aumentare il flusso di K di un fattore 20 praticamente senza apportare modifiche al fascio: –× 5 Aumento Intensita protoni su T10 6 10 10 p/s → 3 10 11 p/s Nota Bene: ~3 10 11 p/s sono al momento gia` disponibili su T4, a monte di T10 –× 4 Allargamento della banda di impulso passando da ~  p/p 5% a ~  p/p ~ 20% (testato durante il 2003) E` ragionevole contare su un flusso di 2 10 12 decadimenti per anno con un consumo di protoni pari a circa 1/10 di CNGS

26 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I26 NA48/3: Intensita` nei rivelatori Spettrometro(i?) K –Al momento micromega letto via TPC (KABES) –Sviluppare il concetto degli “achromats” di NA48/2 per esplodere il fascio e mantenere la densita` di particelle maneggiabile @ 2 MHz/strip: Risoluzione strips 80  m Risoluzione drift 50  m Risoluzione temporale 0.7 ns Tempo morto/strip 40 ns  P/P ~0.5 % Inutile nascondere che la ricostruzione dell’impulso a 0.5% in un fascio da 300 MHz e` un problema

27 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I27 NA48/3: Trigger (I) ~2 MHz dec. di K fra collimatore e rivelatore Livello 1 –Veto per muoni e fotoni –Moltiplicita` nelle camere a filo consistente con una sola traccia  < 400 KHz da K + →  +  0  Non piu` di due picchi in ciascuna proiezione del calorimetro EM Livello 2 (Esempio) –Trigger di massa mancante basato sulle camere a filo Numero di decadimenti per 10 12 protoni,  P/P=10%

28 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I28 NA48/3: Veti per i fotoni Disegno KTeV/CKM 1 mm piombo 5 mm scintillatore E` auspicabile, ma resta da dimostrare, che lavorando ad energie piu` alte si possano rilassare le richieste rispetto a CKM Rappresenta l’impegno costruttivo piu` importante BR(K + →  +  0 ) ~10 10  BR(K + →  + ) Non c’e` rischio di enfatizzare troppo questo fatto:

29 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I29 NA48/3: Tagli contro K + →  + X

30 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I30 NA48/3: Accettanza (Regione I)

31 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I31 NA48/3: Ultima considerazione: esiste al CERN una sala sperimentale (ECN3, dove e` installato NA48) che puo` ricevere i protoni necessari per l’esperimento

32 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I32 NA48/4: K L →  0 ee  Rivelatore  ×2 –Molto ambizioso perche` KTeV/NA48 rappresentano di gia` lo stato dell’arte. –In NA48 la limitazione e` al momento rappresentata dal noise elettronico. –Bisognerebbe considerare nuova elettronica (fredda e calda) per il calorimetro a krypton liquido. Sfruttare l’Interferenza K S -K L dipendente dal tempo per migliorare il rapporto segnale fondo ×2 –Posizionare il volume fiduciale fra 9 e 16 vite medie K S (hep-ph/0107046) Interferenza independente dal tempo ×3 –Si assume interferenza costruttiva che e` preferita teoricamente Presa dati ×5 – “factory mode”. In fondo E799-II ha impiegato solo pochi mesi per accumulare ~7 × 10 11 K L Intensita` fascio ×4 KTeV –Servono almeno ~10 12 protoni/s, di alta energia, estratti lentamente, senza struttura RF Tot ~ ×240 → sens su BR ~ ×15 (su Im t ~×4-15) – Si puo` sperare di chiudere la finestra che esiste fra I limiti attuali e la predizione del modello standard

33 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I33 Altre Opportunita` al CERN NA48/5 K L →  0 –Grazie possibilita` di utilizzare fasci di K di alta energia, il CERN diviene competitivo se… –…si assume che l’approccio di “forza bruta” basato su un fascio neutro ben collimato, veti ermetici per fotoni e null’altro funzioni –si attendono risultati in tal senso da E391a... NA48/6 Ulteriore studio di K S ed iperoni neutri –Completamento del programma di decadimenti semi- leptonici degli iperoni neutri e misura piu` precisa di K S →  0 ee (  ) (essenziale per interpretare l’eventuale risultato positivo di NA48/4)

34 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I34 K L →  0  Confronto fra tecniche NA48/5 E391A J-PARC Dalla proposta KAMI

35 Novembre 11, 2003A. Ceccucci, Commissione I35 Commento finale Esiste la possibilita` concreta, a mio avviso, di lanciare una nuova campagna sperimentale per completare lo studio dei decadimenti rari dei K al CERN Lo studio di fattibilita` e` appena cominciato e si deve concludere per il meeting di Cogne (Autunno 2004) Al momento, il canale piu` promettente sembra essere K + →   