Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 1/50 STUDIO DEL PROCESSO pp Y(4260) J/ + l + l - + CON LESPERIMENTO PANDA Al FAIR/GSI.

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1 Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 1/50 STUDIO DEL PROCESSO pp Y(4260) J/ + l + l - + CON LESPERIMENTO PANDA Al FAIR/GSI

2 Indice Introduzione Fisica di PANDA Spettroscopia del charmonio Rivelatore di PANDA Simulazione Identificazione delle particelle Ricostruzione dei vertici di decadimento Risultati dellanalisi Studio del fondo Conclusioni Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 2/50

3 Introduzione Upgrade del complesso di acceleratori di GSI FAIR: Facility for Antiproton and Ion Research Due Sincrotroni: SIS100 e SIS300 Rate di produzione degli antiprotoni: 210 7 /s Antiprotoni trasferiti allHigh Energy Storage Ring (HESR) dove sarà installato il rivelatore PANDA Fascio di antiprotoni con un momento variabile da 1 a 15 GeV/c Alta luminosità Altarisoluzione p/p=10 -4 p/p=10 -5p/p=10 -5 L=10 32 cm -2 s -1 L=10 31 cm -2 s -1 Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 3/50

4 La fisica di PANDA Spettroscopia del charmonio Spettroscopia adronica: glueball, ibridi Modificazioni delle proprietà dei mesoni in un mezzo nucleare Studio degli ipernuclei strani doppi o singoli Studio dei fattori di forma elettromagnetici del protone nella regione time-like. Funzioni di distribuzione dei partoni, decadimento dei mesoni D, violazione di CP nel settore del charm e nel settore strano Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 4/50

5 La spettroscopia del charmonio Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 5/50

6 Gli stati sotto soglia J/ – Sono gli stati 1 3 S 1 e 2 3 S 1 Scoperti in annichilazione e + e - da SLAC e Brookhaven Confermati da E760 al Fermilab Massa J/(3096±0.011) MeV/c 2 Larghezza J/: (93.4±2.1) KeV Massa : (3686±0.034) MeV/c 2 Larghezza : (337±13) KeV Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 6/50

7 Gli stati sotto soglia c c Stato fondamentale del charmonio: 1 1 S 0 Massa pari a (2980.4±1.2) MeV/c 2 Non può essere prodotto in annichilazione e + e - ma in annichilazione protone-antiprotone E possibile osservare il decadimento c Errore sulla stima della massa è ancora maggiore di 1 MeV e le misure delle larghezze hanno valori discordanti Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 7/50

8 Gli stati sotto soglia c c Stato 2 1 S 0 del charmonio Decadimenti simili a quelli dell c Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 8/50 Scoperta da Belle nel decadimento B K(K s K) c Confermata da CLEO (Cornell), BaBar nelle collisioni Massa c : (3638±4) MeV/c 2 Larghezza c : (14±7) MeV

9 Gli stati sotto soglia h ch c Singoletto in onda P del charmonio Importante per la determinazione delle componenti del potenziale dipendenti dallo spin Osservata la prima volta dallesperimento E760 nel processo pp h c J/ 0. Ne fu misurata la massa (3526±0.3 MeV/c 2 ) ma fu dato solo un limite superiore alla larghezza Fu osservata da E835 in pp h c c e da CLEO in h c c dove c decade in adroni La sua larghezza è inferiore a 1 MeV Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 9/50

10 Gli stati sotto soglia cJ cJ Sono stati 3 P J In collisione protone-antiprotone sono state misurate con grande precisione le masse e le larghezze, oltre che le larghezze dei decadimenti radiativi Massa (MeV) Larghezza (MeV ) c0 3414.760.3510.40.7 c1 3510.660.070.890.05 c2 3556.200.092.060.12 Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 10/50

11 Gli stati sopra soglia La regione oltre i 3.73 GeV, sopra la soglia DD, è poco conosciuta e ricca di nuova fisica Gli stati D sono quattro di cui uno solo è identificato con certezza: 3 D 1 denominato (3770) Gli stati 1 D 2 e 3 D 2 sono stretti in quanto non possono decadere in DD per conservazione della parità Lo stato 3 D 3 decade principalmente in DD in onda f Molti stati non ancora interpretati: X(3872), Y(4260), Z(3930), Y(3940), X(3940). Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 10/50 Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 11/50

12 Gli stati sopra soglia X(3872) E stata scoperta da Belle nel 2003 nel decadimento J/ + - Confermata da CDF, BaBar, D0 Diverse interpretazioni possibili tra cui: Molecola D 0 D 0 * perché decade in D 0 D 0 0 e potrebbe confermare le parità previste: J P =0 -,1 +,2 - Stato cc-qq con interazione cromomagnetica Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 12/50

13 Gli stati sopra soglia Y(4260) E stata scoperta da BaBar come picco nel sottosistema J/ in ISR per cui i numeri quantici di questo stato sono J PC =1 -- E stato osservato anche nel decadimento del mesone B ± K ± + - J/. Ciò ha permesso di valutare il prodotto: B(B - K - Y(4260))B(Y(4260) + - J/)2 10 -5 E stata osservata anche da Belle e CLEO che ne ha visto il decadimento in J/, J/, J/ Possibile interpretazione di questo stato: ibrido del charmonio Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 13/50

14 Gli stati sopra soglia BaBar CLEO Belle Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 14/50

15 Il rivelatore di PANDA Disegnato per lo studio della struttura degli adroni Copertura di angolo solido totale Gestire alti rates: 2 10 7 annichilazione protone- antiprotone al secondo Buona identificazione delle particelle Buona risoluzione del momento per,e,,,K,p Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 15/50

16 Target Spectrometer Impulso degli antiprotoni da 1.5 a 15 GeV/c Solenoide 2T Bersaglio: Pellet Target o Cluster jet Micro Vertex Detector Rivelatori di start e stop per il tempo di volo Tracciatore centrale: Straw Tubes/TPC DIRC Calorimetro elettromagnetico Rivelatore di muoni Camere a deriva multifilo Il rivelatore di PANDA Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 16/50

17 Forward Spectrometer Camere a deriva multifilo/Straw tubes Dipolo: 2 Tesla·m Forward DIRC e RICH Forward Calorimetro elettromagnetico Rivelatori per il tempo di volo Calorimetro adronico Il rivelatore di PANDA Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 17/50

18 Scopo dellanalisi Studio del processo: pp Y(4260) J/ + l + l - + con J/ e + e - ; J/ + - Studio del fondo: pp + + Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 18/50

19 Simulazione Monte Carlo di eventi: utilizzo di un generatore di eventi e di un Modello di Trasporto. Simulazione della digitalizzazione e della ricostruzione del decadimento. Rivelatori abilitati nella simulazione: rivelatore di tracciamento (Straw Tubes), calorimetro elettromagnetico, DIRC, camere a deriva e versione preliminare del rivelatore di muoni. La digitalizzazione e la ricostruzione sono complete per il rivelatore di vertice, per gli Straw Tubes, per il calorimetro elettromagnetico, per le camere a deriva, mentre sono semplificate per il DIRC.Simulazione Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 19/50

20 Identificazione delle particelle Variabili utilizzate: Forma dello sciame Rapporto E/p tra lenergia depositata nel calorimetro e limpulso della traccia misurato nella camera a deriva Vengono utilizzati dei criteri di selezione per distinguere i pioni dagli elettroni: VeryLoose, Loose, Tight, VeryTight In questa analisi è stato scelto il selettore VeryLoose che fornisce unefficienza di identificazione del 90% e una probabilità di identificare un pione come un elettrone di circa il 20%. Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 20/50

21 Identificazione degli elettroni Si utilizzano le informazioni fornite dal EMC riguardo lo sciame Si utilizza la variabile E/p: Ha una distribuzione piccata ad 1 per gli elettroni e assume valori minori per gli adroni e per i muoni Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 21/50 Elettroni Pioni Kaoni

22 Identificazione degli elettroni Si utilizza la variabile: distribuzione laterale di energia LAT definita come: N=numero di cristalli del calorimetro coinvolti nello sciame E i =energia delli-esimo cristallo (E i >E i +1) r i =distanza tra ciascun cristallo coinvolto e lasse dello sciame r 0 =distanza media tra i due cristalli più energetici (r 0 =5cm) Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 22/50

23 Identificazione degli elettroni Nel caso di sciame elettromagnetico la maggior parte del deposito di energia avviene in due cristalli-> La variabile LAT assume valori minori rispetto al caso di sciami adronici. Si richiede 0<LAT<0.6 Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 23/50 Elettroni Pioni Kaoni

24 Identificazione degli elettroni Si utilizza la variabile: distribuzione laterale in termini di momenti di Zernike definita come: con Con n,m0 ed interi, n-m pari ed mn r i =distanza tra ciascun cristallo coinvolto e lasse dello sciame Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 24/50

25 Tale variabile serve per ricostruire la forma dello sciame prodotto dalla particella che raggiunge il calorimetro. Le funzioni di Zernike forniscono unespansione indipendente dallorientazione del sistema di coordinate laterali nelle quali i è misurata. La variabile azimutale nella distribuzione dello sciame è coinvolta solo nei momenti con m2 cioè in |A 42 | che è lunico utilizzato nel selettore. Gli sciami adronici depositano grandi quantità di energia nel calorimetro e tendono ad avere grandi valori per le variabili di distribuzione dello sciame a causa dellirregolarità di questo. Si richiede che –10< |A 42 |< 0.11 Identificazione degli elettroni Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 25/50 Elettroni Pioni Kaoni

26 Identificazione dei muoni Il progetto sperimentale del rivelatore di muoni è ancora ad uno stadio iniziale Si associano le informazioni raccolte dalla camera a deriva con ogni deposito di energia nel rivelatore di muoni considerando la curvatura della traiettoria causata dal campo magnetico. Il selettore utilizzzato è il VeryLoose che fornisce una efficienza di identificazione del 90%. Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 26/50

27 Ricostruzione dei vertici di decadimento Al fine di misurare il quadrimpulso e la posizione della particella, che decade, si combinano le tracce dei prodotti di decadimento ricostruite dal rivelatore La posizione in cui la particella decade viene stimata con una procedura detta vertexing A causa della presenza del campo magnetico il problema è non lineare Viene linearizzato cercando una soluzione locale e iterando finchè i valori del 2 del fit al vertice tra due iterazioni successive differiscono per una quantità minore di 0.01 La misura è migliorata con luso del fit cinematico, il cui il 2 generalizzato viene minimizzato vincolando la massa della particella alla massa nominale e imponendo le leggi di conservazione dellenergia e dellimpulso con la tecnica dei moltiplicatori di Lagrange. Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 27/50

28 Analisi Studio del processo: pp Y(4260) J/ + l + l - + con J/ e + e - ; J/ + - con uguale probabilità (50%) BR(J/ e + e - )=(5.94±0.06)% BR(J/(5.93±0.06)% Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 28/50

29 Analisi Generati 20.000 eventi Studio del decadimento J/l + l - : Livello di confidenza di ricostruzione del decadimento della J/, dopo lapplicazione del fit cinematico, posto maggiore del 0.1% Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 29/50

30 Studio del decadimento J/l + l - Primo studio: Applicazione dellalgoritmo di fit Kalman Filter per la ricostruzione delle tracce Selezione di eventi in cui m J/(2.5-3.5)GeV/c 2 Selettore utilizzato: VeryLoose Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 30/50

31 Studio del decadimento J/l + l - Efficienza di ricostruzione: (49.3±0.4)% Valor medio della massa: 3.05 Gev/c 2 Risoluzione: 0.11 GeV Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 31/50

32 Studio del decadimento J/l + l - Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 32/50

33 Studio del decadimento J/e + e - Efficienza di ricostruzione: (49.8±0.3)% Valor medio della massa: 3.06 Gev/c 2 Risoluzione: 0.10 GeV Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 33/50

34 Studio del decadimento J/ + - Efficienza di ricostruzione: (50.2±0.3)% Valor medio della massa: 3.04 Gev/c 2 Risoluzione: 0.11 GeV Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 34/50

35 Studio del decadimento J/l + l - Secondo studio: Applicazione dellalgoritmo di fit Kalman Filter per la ricostruzione delle tracce. Applicazione del Beam Constraint sul decadimento totale Selezione di eventi in cui m J/(2.5-3.5)GeV/c 2 Selettore utilizzato: VeryLoose E atteso un miglioramento della risoluzione Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 35/50

36 Studio del decadimento J/l + l - Efficienza di ricostruzione: (34.4±0.3)% Valor medio della massa: 3.097 Gev/c 2 Risoluzione: 0.005 GeV Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 36/50

37 Studio del decadimento J/l + l - Fit con una gaussiana Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 37/50

38 Studio del decadimento J/e + e - Efficienza di ricostruzione: (49.8±0.3)% Valor medio della massa: 3.097 Gev/c 2 Risoluzione: 0.005 GeV Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 38/50

39 Studio del decadimento J/ + - Efficienza di ricostruzione: (50.2±0.3)% Valor medio della massa: 3.097 Gev/c 2 Risoluzione: 0.005 GeV Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 39/50

40 Distribuzione angolare del decadimento J/l + l - La distribuzione angolare di tale decadimento è data da: 1+cos 2 Con è langolo tra limpulso del leptone e quello dellantiprotone nel sistema della Y(4260) Si è scelto =0.71±0.23 dai risultati di E835 del 2003 Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 40/50

41 Distribuzione angolare del decadimento J/l + l - Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 41/50

42 Distribuzione angolare del decadimento J/l + l - Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 42/50

43 Studio del decadimento ppJ/ + - Selettore utilizzato VeryLoose Applicazione del Kalman Filter Efficienza di ricostruzione: (49.3±0.3)% Valor medio della massa: 4.2 Gev/c 2 Risoluzione: 0.11 GeV Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 43/50

44 Studio del processo ppJ/ + - Fit con una doppia gaussiana Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 44/50

45 Studio della massa invariante + - Poiché la Y(4260) ha gli stessi numeri quantici della(2S) si è scelto di utilizzare come distribuzione della massa invariante + - quella prevista dal decadimento della (2S) nello stesso stato finale =4 dal fit dei dati ottenuto a E760 Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 45/50

46 Studio della massa invariante + - Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 46/50

47 Studio del fondo Il fondo principale studiato è: pp + + dove due pioni possono essere identificati come elettroni o come muoni e la loro energia sia tale per cui viene ricostruita erroneamente una J/ Sono stati generati 500.000 eventi e sono stati applicati gli stessi criteri di selezione utilizzati per lo studio del segnale. Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 47/50

48 Studio del fondo Si assume che: Il valore della sezione durto di fondo è pari a 0.046 mbarn Come valore della sezione durto di segnale è stato utilizzato quello del decadimento della (2S) nello stesso stato finale. E stata misurata al Fermilab e per J/e + e - vale 10 nb. Se J/l + l - vale 20 nb. Il rapporto segnale/rumore è stato stimato utilizzando la formula: con N e =numero di Y(4260) ricostruite erroneamente N g =500.000 Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 48/50

49 Studio del fondo Si sono valutati due casi: La J/ decade solo nel canale elettronico in tal caso il numero di Y(4260) ricostruite è pari a 6±2 La J/ decade sia nel canale elettronico che in quello muonico in tal caso il numero di Y(4260) ricostruite è pari a 50±7 Il rapporto segnale/rumore nei due casi vale: 18.2±7.4 2.2±0.3 Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 49/50

50 Conclusioni e sviluppi futuri Si possiedono gli strumenti necessari per effettuare simulazioni dei canali di fisica Il canale considerato è ricostruibile con buona efficienza Analizzando il fondo, si può osservare che il canale considerato risulta identificabile con buona probabilità Ulteriori sviluppi futuri riguardano il miglioramento del software riguardante il rivelatore di muoni Studio approfondito della risonanza Y(4260) effettuando uno scan a diverse energie nel centro di massa Elisa Fioravanti 15 Ottobre 2007 Università di Ferrara 50/50