Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 1 Relazione dal Comitato Scientifico del PSI (Dipartimento “Particelle e Materia”) Patrizia.

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1 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 1 Relazione dal Comitato Scientifico del PSI (Dipartimento “Particelle e Materia”) Patrizia Cenci Sezione INFN di Perugia Riunione CSN1 INFN Catania, 3 luglio 2006

2 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 2 Il PSI  Il Paul Scherrer Institute è il maggiore laboratorio nazionale svizzero (~ 1200 dipendenti) finanziato principalmente con fondi pubblici  E’ un centro di ricerca scientifica e tecnologica multidisciplinare, la cui priorità è la ricerca fondamentale e applicata:  fisica delle particelle elementari e astrofisica  fisica dello stato solido e scienza dei materiali  biologia e medicina  ricerca energetica e scienze ambientali

3 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 3 Struttura Organizzativa del PSI PSI Organizational Structure:

4 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 4 Ricerca al PSI Dipartimenti di ricerca:  P articelle e Materia:  particelle elementari, astrofisica, radiochimica,fasci di ioni  Radiazione di Sincrotrone, micro e nanotecnologie:  attività presso la facility per luce di sincrotrone: Swiss Light Source  Materia condensata con Neutroni e Muoni:  scattering di neutroni, produzione di neutroni di spallazione, spettroscopia dello spin muonico  Scienze Biologiche:  medicina (adroterapia con protoni), radiofarmacologia (radionuclidi), ricerca biomolecolare (c/o SLS)  Energia Nucleare e sicurezza:  fisica dei reattori nucleari e comportamento dei sistemi; idraulica termica; comportamento dei materiali; smaltimento delle scorie; analisi dei sistemi energetici  Energetica generale:  cicli di energia e materiali (riciclaggio dei materiali e risorse rinnovabili), tecnologia solare; combustione; elettrochimica; chimica atmosferica Dipartimento delle “Large Research Facilities” Il Dipartimento delle “Large Research Facilities” si occupa del supporto tecnico e dello sviluppo delle macchine dell’intero complesso sperimentale del laboratorio

5 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 5 Dipartimento “Particelle e Materia” Include 4 Laboratori:  Fisica delle Particelle: sperimentale e teorica; esperimenti all’acceleratore di protoni del PSI con fasci intensi a bassa energia di pioni, muoni e neutroni; al CERN (CMS) e a DESY (H1).  Astrofisica: teorica e osservazionale; ricerca strumentale e tecnologica per lo spazio.  Radiochimica e chimica ambientale: studi chimici e nucleari di elementi pesanti, processi chimici di superficie per chimica atmosferica, atmosfera del passato e ricostruzioni climatiche, caratterizzazione delle scorie nucleari.  Fisica con fasci di ioni: datazione con carbonio, ricerca climatica con radioisotopi a lunga vita media, sviluppo di nuovi spettrometri di massa  Progetto UCN: sorgente di neutroni ultra-freddi Comitato Scientifico

6 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 6 Il fascio di protoni al PSI Ring Cyclotron: 590 MeV, 2 mA DC, 1.2 MW Upgrade  3 mA, 1.8 MW Cockcroft Walton 872 KeV Facility di adroterapia I  1 nA Ciclotroni iniettori I1 e I2, 72 MeV Bersagli per la produzione di π e μ: M (5mm grafite, 2 linee fascio) E (40mm grafite, 5 linee fascio) Sorgente UCN: n ultrafreddi SINQ: Spallation Neutron Source

7 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 7 Acceleratori al PSI Ralph Eichler - Direttore PSI

8 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 8 Fisica adronica a basse energie (test di ChPT): Misura di width (al 1-2%) e shift (al 0.2%) dello stato fondamentale nell’ idrogeno pionico (in conclusione, ora: proposta per deuterio pionico)  interazioni π-n: fisica adronica a basse energie  determinazione della ampiezza di scattering π-nucleone all’ 1%  misura della costante di accoppiamento π-n e di effetti di isospin  misure di posizione e energia (CCD) Riunione Comitato Scientifico: progetti con fasci di π E K  = 2.5 keV strong interaction observable as shift  and broadening   1s + 7 eV attractive  1s 1 eV 2 isospin scattering length a  = a  -p  -p  a  +p  +p isospin invariance: m u = m d a  -p  -p + a  +p  +p = -  2 a  -p  o n  1s = + 7.120  0.008  0.006 eV (  0.2%)  H: ChPT 3rd order 40000 eventi  attesa  1s /  1s  1.5%

9 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 9 Test dello SM delle WI dalla misura delle proprietà del π  Esp. PIBETA (concluso): misura di precisione di BR(  + →  0 e + )  Esp. PIBETA (seconda fase, proposta nel 2004): studio della anomalia del decadimento  + →e +   approfondimento e ampliamento del programma PIBETA  misurate in  + →e +  significative deviazioni (20%) dalla forma standard V-A delle WI nella regione cinematica ad alte-E  /basse-E e+ non spiegabili con effetti sistematici noti  dati in altre 2 diverse regioni cinematiche compatibili con le attese teoriche, e con migliore S/B  proposta nuovo esperimento: ottimizzazione della presa dati e del rivelatore PIBETA (rate minore, migliore S/B, bersaglio semplificato) e ripetizione delle misure di  + →e +  in modo da chiarire la situazione  Misura di precisione di BR(  + → e + ) (proposto nel 2005)  test di precisione dello SM nel settore WI  fisica BSM Riunione Comitato Scientifico: progetti con fasci di π

10 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 10 Esperimento PIBETA Scopo: misura del rate del decadimento  + →  0 e + con precisione <0.5% Statistica dati (1999-2000-2001): 2.2 x 10 13 pioni Risultati: BR=(1.034  0.004 stat  0.007 syst )x10 -8 (1984: BR=(1.026  0.039)x10 -8 ) V ud = 0.9716(39) (PDG: 0.9734(8)) → in accordo con SM e unitarietà CKM Eventi  + →e + studi di fondo e canale di normalizzazione (S/B > 250) calcolo e misura del BR con precisione di ≤ 10 -3 → test dello SM Decadimenti radiativi  + →e +   : da IB (QED) + struttura del  → fattori di forma F A /F V (ChPT) F A /F V = 0.443(15), F A = 0.0115(4) con F V = 0.0259 studio di termini non (V-A) nelle Interazioni Deboli (anche  + → e +  ) deviazioni da V-A nella regione cinematica alte-E  /basse-E e+ dati compatibili con fattore di forma tensoriale F T non nullo

11 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 11 Esperimento PIBETA (seconda fase) Proposta nel 2004 nuova serie di misure del processo  + → e + γ per chiarire i risultati della prima fase dell’esperimento Risultati della analisi dei dati del 2004: Termine tensoriale: F T = (0.08 ± 3.95) x 10 -4  F T < 5.1 x 10 -4 (90%CL) Inoltre: misure di precisione di  → e γ (4.2x 10 5 eventi )  Br(  → e γ) = (4.40 ± 0.09) x 10 -3 (precisione precedente al 30%)  parametro di Michel:  ≤ 0.033 68%CL (migliorato di un fattore 2.5)

12 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 12 Esperimento PEN Proposta (2006): misura di Br(  + →e + ( γ )) alla precisione di ΔBr/Br ≤ 10 -4 con l’apparato sperimentale PIBETA Motivazione: test dello SM (universalità leptonica) Competizione: nuova proposta a TRIUMF

13 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 13 Esperimento PEN: programma sperimentale Nel 2006  miglioramenti del rivelatore esistente  run di 6 settimane a fine anno per test del rivelatore e per ottimizzare la misura Nel 2007  analisi dei dati e aggiustamenti del rivelatore  4 mesi di presa dati a fine anno Nel 2008  programma analogo a quello del 2007 Necessari 3x10 7 eventi puliti, eliminazione del fondo e controllo della sistematica a livello di 10 -4

14 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 14 Fasci di muoni al PSI Muoni: ottime sonde per misure di  fisica dello stato solido, in alternativa ai neutroni (“protoni leggeri”)  fisica delle particelle elementari (“elettroni pesanti” ) PSI: diverse linee di fascio di μ a varie intensità ed energie  muoni polarizzati a bassissime energie (0-30 eV: “surface and subsurface muons”): LMU (Laboratory for muon spin spettroscopy)  Fisica dei materiali e dello stato solido: impiantazioni superficiali tra 10 - 2 e 10 2 nm per studi di struttura della materia (campi magnetici interni locali, difetti nei cristalli e impurezze nei materiali)  Processi atomici fondamentali: scambio carica, perdita di energia e scattering nei materiali  Fascio di atomi muonici: spettroscopia di precisione per test di QED  muoni ad alta intensità ed energie intermedie ( ≤ 125 MeV) per studi di fisica delle particelle: misura di precisione della vita media del μ, LFV, cattura atomica del μ, etc

15 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 15 Fisica delle particelle elementari con fasci di muoni Fisica dei muoni ad alta energia: DIS e funzioni di struttura (Compass, esperimenti tipo xMC) Fisica dei muoni a bassa energia e alta intensità:  Fisica delle particelle elementari: proprietà del μ Test dello SM da misure di precisione delle proprietà del μ (es. G F a < 1% dalla misura della vita media del μ a 1 ppm) Fisica BSM: LFV (μ → eγ, conversione μ → e, μ → 3e), misure di precisione di parametri sensibili a alte scale di massa (es. g-2), violazione di simmetrie discrete (T, CTP)  Dove: PSI, RAL, TRIUMF, BNL, LANL, Dubna, KEK, …  Fasci impulsati (es. RAL): Chiaro inizio veloce del segnale (tempo di arrivo del fascio) Minore fondo dai muoni precedenti  Peggiore duty-cycle  Fasci continui (es. PSI): Rate istantaneo minore a parità di flusso  Fondo/pile-up da vecchi muoni  Alte intensità (>MHz), eventi puliti (sistematica) ma: fondo

16 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 16  FAST: misura della vita media del μ + (1-2 ppm)  MuLan: misura della vita media del μ + (1 ppm) con fascio pulsato di μ creato artificialmente  MuCap: misura di precisione della cattura di  da p  fattore di forma del nucleone a < 10%, test di ChPT  precisione sperimentale attuale ~50%, ambiguità previsioni-misure  μCR42β: cattura di μ in atomi per calcoli di precisione degli elementi di matrice nucleare dei processi 2β  Spettroscopia laser del Lamb Shift nell’idrogeno muonico:  valutazione del contributo del protone (misura del “charge-radius” del protone con precisione del 0.1%) per test di precisione di QED  r p rms : ora costante fisica fondamentale, valore attuale (0.8750 ± 0.0068)  metodo: shift dei livelli energetici atomici μp (i.e. μp Lamb-shift), attesa una risonanza μp(2S-2P)  apparato sperimentale: fascio di μ-, rivelatore di radiazione X, laser sviluppato ad hoc per indurre la transizione 2S-2P (impulsi di 6 μm) Esperimenti con fasci di μ

17 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 17  p Lamb shift: principio

18 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 18  p Lamb shift: stato Misure effettuate nel 2003: nessun segnale (ma: identificati problemi del set-up sperimentale, in particolare: laser insufficiente a indurre la transizione 2S-2P) Migliorato il progetto dell’apparato sperimentale (nuovo laser, migliori bersaglio e rivelatore di raggi X) Richiesta presa dati a fine 2006 per misure finali

19 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 19 Misura della vita media del μ Metodo sperimentale: prodotti in π→μν  +  e + + e +  ~ counts time e+e+ Semplice misura di “ slope “ μ + lifetime = 2.19703(4)  s N.B.: μ - non utilizzati perchè catturati nei nuclei μ mass = 105.6583568(52) MeV

20 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 20 Misura di τ μ : motivazione G F = 1.16639(1) x 10 -5 GeV -2 → indeterminazione di 9 ppm L’ errore su G F è dominato dalla misura sperimentale di τ μ  Precisione sperimentale attuale su τ μ : 18 ppm  Indeterminazione teorica < 0.5 ppm Migliore misura di G F : migliore valutazione di Δr (propagatore W)  test di precisione della struttura interna dello SM per le WI (settore di Yukawa)  previsioni accurate dei parametri dello SM (non solo EW: es. M H ) Esperimenti simili: PSI, RAL, TRIUMF δ: correzioni radiative di QED all’ordine superiore Δr: correzioni EW di ordine superiore Misura di τ μ a 1 ppm (2 ps) → misura di G F a 0.5 ppm

21 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 21 Misura di τ μ : metodo Concetti base: Statistica: 10 12 muoni positivi per τ μ a 1 ppm (2 ps) Sistematica: effetti dipendenti dal tempo che deformano la curva di decadimento quali:  μSR (muon Spin Rotation): gli e + sono emessi nella direzione dello spin del μ +, si controlla quindi la polarizzazione del μ + con bersaglio depolarizzante, campi magnetici locali ad hoc, ricostruzione accurata della catena π→μ→e, rivelatori isotropo e/o simmetrico  anisotropie o inefficienze dovute a overlap di tracce e pile-up: rivelatori molto segmentati per la riduzione del fondo dei “vecchi” μ + in un intervallo temporale n. τ μ  effetti strumentali: efficienze di rivelazione dipendenti dal tempo, guadagni dipendenti da tempo o posizione, etc  effetti fisici: formazione di muonio, effetti di stato solido (polarizzazione) nel bersaglio, decadimenti rari del μ

22 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 22 Muon lifetime @ PSI: MuLAN MuLAN (Muon Lifetime Analysis): collaborazione Berkeley, Boston, Illinois, James Madison, Kentucky  Creato artificialmente un fascio impulsato con separatori elettrostatici a 50 KHz (20 μs), rate iniziale 30 MHz, fattore di soppressione 2x10 -4 : ~20 μ arrestati nel bersaglio poi fascio spento per 22 μs (~10 τ μ )  Rivelatore simmetrico sferico ad alta segmentazione  μSR ridotto con campo esterno correttivo sul bersaglio e uso di diversi bersagli depolarizzanti  Analisi online attraverso WFD (FADC 8 bit, 500MHZ, double-pulse-resolution < 3ns a 10 MHz)  Test e commissioning run nel 2005 (+ breve run di fisica)  Dati per misura finale nel 2006-2007

23 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 23 170 MuLAN: il rivelatore

24 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 24 MuLan: risultati recenti  Misura di τ μ a 137 ppm con i dati 2002  Analisi dati 2004 in corso: attesa misura di τ μ a ~ 10 ppm (migliore limite attuale)  Dati 2005: ulteriori ≥ 8x10 8 μ (  precisione statistica a ~ 5 ppm)  Run estensivo di fisica: 2006-2007  Funzionamento del WFD nel 2005:  misura di tempo e energia di ogni impulso  ben distinti 3 impulsi diversi nello stesso canale Dati 2004 preliminare STATISTICA PRECISIONE STATISTICA (1.2 ns)

25 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 25 Muon lifetime @ PSI: FAST FAST (Fast Active Scintillator Target): collaborazione CERN, CIEMAT, PSI, Univ. Ginevra Tecnica: rivelazione della catena π→μ→e con ricostruzione completa della immagine degli eventi in bersaglio attivo  Rivelatore veloce ad alta granularità  Fascio continuo di π + (170 MeV/c DC, 1 MHz) arrestati in bersaglio attivo a barre di scintillatore (4x4x200 mm 3, 1536 pixel: y-z dei decadimenti), letti via guide di luce da 96 PSPM  Degradatore a monte del bersaglio per generare una distribuzione omogenea dei punti di arresto dei π nel rivelatore  Ogni μ deve essere originato da un π: ricostruzione dei 2 vertici  Finestra di lettura della catena π → μ → e di 30 μs (-10 μs  20 μs) : misura di ~ 30 decadimenti sovrapposti  Raccolti dati a bassa intensità nel 2005, messa a punto rivelatore e sviluppo DAQ nel 2006 (bassa intensità, 10 11 eventi), run finale nel 2007 (alta intensità, 10 12 eventi)

26 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 26 FAST: metodo sperimentale La tecnica di ricostruzione completa della immagine, evento per evento, riduce l’indeterminazione sistematica:  0.3 ppm per effetti di rivelazione dipendenti dal tempo  0.2 ppm da pile-up/fondo  0.2 ppm da μSR

27 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 27 Fast: il rivelatore

28 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 28 FAST: risultati recenti  Misura della vita media del μ + e del π + nei dati 2005 (statistica: 0.29 x 10 10 eventi)  Nel 2006: run a intensità maggiore (~10 11 eventi, upgrade Trigger/DAQ)  Run finale nel 2007 (10 12 eventi) by-product: vita media del π+ a 20 ppm ( → world average: 200 ppm)

29 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 29 Esperimento MuCap Collaborazione MuCap: PSI; PNPI (Russia); Univ. of California at Berkeley, Univ. of Illinois at Urbana Champain, Univ. of Boston, Univ. of Kentucky (USA); TUM (Germania); Univ. Catholique de Louvain (Belgio)  Scopo dell’esperimento: misura all’ 1% del rate di cattura Λ di  da p liberi implica una precisione <7% (  3%) sul fattore di forma g p (fattore di forma pseudoscalare indotto da corrente carica debole nucleonica)  Indeterminazione teorica (Heavy Barion ChPT): 2-3%  Precisione sperimentale attuale ~50%, ambiguità teoria-misure  Stato: raccolti nel 2004+05: 4 * 10 9 μ -, 2.5 * 10 9 μ + ; previsti nel 2006 10 10 eventi μ - & μ + ; in corso studi approfonditi di sistematica

30 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 30 la misura del rate di cattura Λ S è data da: log(counts) time μ+μ+ μ – misura della differenza dei rate di decadimento Λ μ di μ - p vs. μ + in idrogeno gassoso (ΔΛ μ /Λ μ ~ 0.15%) la misura di Λ S al ±1% richiede una precisione di 10 ppm sulla misura della slope della distribuzione → occorrono 10 10 eventi for canale μ + & μ - MuCap: metodo sperimentale

31 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 31 μ SC μ PWC1 μ PWC2 TPC per rivelare le tracce dei μ incidenti e i punti di arresto; Magnete μSR attorno alla TPC (50 gauss verticale) per controllo effetti di spin dei μ + polarizzati eMWPC2 eMWPC1 eSC (Hodoscope) μ beam Muon Detectors Electron Detectors MuCap: rivelatore

32 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 32 Fasci di neutroni: il SINQ (spallation neutron source) Scattering di neutroni: efficace metodo per studi di struttura e dinamica della materia condensata (fisica fondamentale, fisica e chimica dello stato solido, scienza dei materiali, biologia, medicina e scienza dell’ambiente) SINQ: sorgente continua di neutroni ad alto flusso (~10 14 n/cm 2 /s) prodotti per spallazione da protoni (1.3mA) su Pb: neutroni termici (moderatore: H 2 D, ) o freddi (moderatore: SD 2, T=-250°) UCN Facility: nuova sorgente per neutroni ultra-freddi ( 1000 n/cm 3, in funzione dal 2008) Dal 2006 primi neutroni prodotti in MEGAPIE (Megawatt Pilot Source: Europa, US-DoE, Jp, Co): sorgente di neutroni di spallazione a 1 MW con bersaglio di metallo liquido (Pb-Bi eutettico, flusso di n: x 1.3-1.4) Attese migliori prestazioni con l’upgrade dell’acceleratore di p (I  3 mA)

33 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 33 R&D per UCN: materiali per produzione di n ultrafreddi Misura della efficienza di produzione di UCN da SD 2 e confronto con materiali criogenici come CD 4 e O 2 :  R&D per sorgente di UCN di nuova generazione (> 1000 UCN/cm 3 )  disciplina molto attuale: raggiungere n impacchettati molto densamente per studi di fisica nucleare di grande interesse: fisica della struttura della materia fisica fondamentale (precisioni maggiori nelle misure di proprietà dei n: EDM, vita media, proprietà caratteristiche del decadimento)  questo si ottiene con materiali che abbiano buona sezione d’urto per scattering coerente, piccolo riscaldamento per emissione di fotoni (irraggiamento), piccolo assorbimento di n: effettuati studi di efficienza sul SD 2 (moderatore in uso per UCN) raffreddato da fase gassosa, liquida o dopo cicli termici: nessuna differenza nel numero di UCN rivelati confronto con i materiali criogenici CD 4 ed O 2 (T < 4°K): produzione maggiore per SD 2  R&D analoghi in corso in varie parti del mondo (i.e. USA, Giappone); nello stesso ambito finanziati anche progetti speciali UE Vita media del neutrone:  n = (885  1) s PDG04, KIAE/ILL (878  1) s PNPI/ILL (2006)

34 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 34 Ricerca di effetti di violazione di Time Reversal nel decadimento di neutroni liberi:  studio delle correlazioni angolari nel decadimento  del n  misura contemporanea delle componenti trasversali della polarizzazione degli e - emessi nel decadimento dei neutroni liberi polarizzati (contenute nel piano perpendicolare alla polarizzazione del n iniziale): una differenza è indice di violazione di T  Necessari: Intensa sorgente di neutroni liberi altamente polarizzati Polarimetri efficienti per elettroni a basse energie (200-800 keV)  Difficoltà: Sorgente di decadimenti deboli in presenza di fondo dovuto a cattura del neutrone Depolarizzazione degli electroni dovuta a scattering multiplo di Coulomb nel rivelatore e nel bersaglio  nessun effetto misurato ancora  presa dati nel 2006 per messa a punto del rivelatore e per fisica presa dati finale di fisica nel 2007 Esperimenti di fisica fondamentale con neutroni

35 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 35 Proposta di esperimento nEDM per la misura del EDM del n Contesto: se T= simmetria esatta: EDMs di nuclei e particelle elementari = 0 se EDM≠ 0 sia T che P sono violate previsione del SM delle WI: d n ~ 10 -31 e cm limite attuale del valore di EDM (2006, RAL-Sussex-ILL):  d n < 3 x 10 -26 e cm C.A.Baker et al., hep-ex/0602020  6 ordini di grandezza sopra lo SM delle WI, ma già limita alcune teorie BSM  il nuovo progetto: d n ≤ 10 -27 e cm in preparazione nuovi esperimenti per la misura del EDM del neutrone (≥2008, a ILL, SNS, TUM, JPARC, PSI, …) in corso ricerche diverse per la misura di EDM con atomi, molecole, electroni, muoni, nuclei)

36 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 36 nEDM: metodo Ramsey Tecnica proposta: metodo Ramsey dei campi oscillanti separati Raccolti n polarizzati (spin up e down) in una regione con campi B e E collineari si applica spin-flip di π /2 invertendo la direzione del campo E si lascia lo spin del n in precessione libera per un periodo di tempo si applica un nuovo spin-flip e si analizza, dopo un certo tempo, la polarizzazione del n  si genera in questo modo una figura di interferenza: le frange di Ramsey  un EDM non nullo genera diverse posizioni delle frange (ovvero frequenze di precessione) nel caso di E parallelo e antiparallelo a B  il metodo è tanto più sensibile quando più lunga è la precessione libera  parametri critici: stabilità di B (mentre si inverte E) e la sua omogeneità (sist. dominante) Indispensabile per migliorare la precisione su:  maggiore sensibilità: un maggior numero di UCN  controllo della sistematica Frange di Ramsey

37 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 37 nEDM: programma sperimentale  Programma previsto: studio della tecnica sperimentale e miglioramenti dell’apparato a ILL prima misura a ILL a fine 2006 trasporto dello spettrometro RAL-Sussex-ILL al PSI per misura con nuova sorgente UCN (disponibile dal 2008) nuovo spettrometro EDM in funzione (nel 2010)  Miglioramenti dell’apparato sperimentale RAL-Sussex-ILL utilizzato a ILL per l’attuale limite: misura ridondante (mappa) del campo magnetico con l’uso di magnetometro a Hg addizionale installato all’interno del volume della camera degli UCN, effettuata simultaneamente alla misura del magnetometro esterno e delle frange di interferenza miglioramento del magnetometro esterno (insieme di magnetometri di Cs a laser, più veloci, montati esternamente alla camera UCN) R&D per l’allineamento del CsM, i rivelatori per UCN, e tutto il set-up.  Nuova sorgente UCN: migliore sensibilità sperimentale grazie alla maggiore statistica; migliore controllo degli effetti sistematici, immagazzinamento dei neutroni e tempi di precessione di più di 100 secondi

38 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 38 spare

39 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 39 Il Ring Cyclotron Ring Cyclotron a 590 MeV si tratta di un ciclotrone a settori separati con energia di fascio fissa di 590 MeV, commissionato nel 1974 un fascio di protoni a 72 MeV da uno dei 2 ciclotroni iniettori è inviato in un orbita al centro del Ring, accelerato per circa 220 rivoluzioni ed estratto a energia massima attraverso la linea visibile in figura in corso upgrade per correnti di fascio di 3 mA (1.8 MW) Caratteristiche Injection Energy 72 MeV Extraction Energy 590 MeV Extraction Momentum 1.2 Gev/c Energy spread (FWHM) ca. 0.2 % Beam Emittance ca. 2 pi mm x mrad Beam Current: ~ 2.0 mA DC Beam Power: > 1 MW Accelerator Frequency 50.63 MHz Time Between Pulses 19.75 ns Bunch Width ca. 0.3 ns Extraction Losses ca. 0.03 %

40 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 40 La sorgente UCN al PSI Diamond-Like Carbon coated ~2 m 3 trap 2 mA,600 MeV proton beam 1% duty cycle ~3 m 3 D 2 O 1.2m solid D 2 at ~5K UCN shutter open kick proton beam to UCN 10 16 protons s -1 => 10 17 neutrons s -1  CN ~ 2 x 10 13 cm -2 s -1 P UCN ~ 2 x 10 5 cm -3 s -1  UCN = P UCN x  ~ 6000 cm -3 solid D 2 at ~8K after 4-8s  ~ 50%  UCN ~ 3000 cm -3 close UCN shutter return proton beam distribute UCN to experiments  UCN ~6000cm -3  ~ 3000 cm -3  exp > 1000 cm -3 UCN shutter solid D 2 at ~5K PSI - Cracow - ILL – Vienna - Efremov

41 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 41 SLS: Luce di Sincrotrone al PSI La Swiss Light Source (SLS) è una sorgente di luce di sincrotrone di terza generazione. Alla energia di 2.4 GeV, fornisce fasci di fotoni di brillanza e stabilità eccezionali per ricerche in fisica dei materiali, in biologia e in chimica Caratteristiche peculiari di SLS sono: ampio spettro di luce (da IR a raggi X duri) ampia serie di sezioni lineari (brevi, medie e lunghe) che ottimizzano l’uso di diversi tipi di ondulatori ondulatori con schemi di polarizzazione flessibile (i.e. possibilità di cambiare rapidamente polarizzazione alle frequenze del kHz) fascio di intensità costante per gli esperimenti (iniezione top-up) flessibilità delle proprietà ottiche dell’anello: controllo individuale degli alimentatori di ogni magnete In corso attività per produrre impulsi X molto corti (ora: bunch di 30 ps, separati di 2 ns) nella linea di fascio FEMTO: prevista nel 2006 la produzione di raggi X a < 100 fs (sviluppo per il futuro X-FEL del PSI)

42 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 42 Prestazioni SLS Brillanza delle facilities RS esistenti

43 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 43 I Muoni Prodotti in π→μν (26 ns) hanno spin ½ e carica unitaria Nel sistema di quiete del π hanno momento magnetico antiparallelo all’impulso: possibili fasci di μ altamente polarizzati (100% per decadimenti di π in quiete) Sono instabili e decadono secondo μ ± →e ± e μ (2.2 μs ) Il e ± è emesso preferibilmente nella direzione dello spin del μ che lo genera

44 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 44 Esperimento PIBETA Scopo: Scopo: misura del rate di decadimento β del pione  + →  0 e + con precisione < 0.5%  processo debole fondamentale analogo alle transizioni pure di Fermi nei decadimenti beta nucleari ma calcolato con minore indeterminazione teorica (< 0.15%, no correzioni nucleari)  test stringente del Modello Standard: misura di V ud e test della universalità di Cabibbo e della unitarietà della matrice CKM Metodo sperimentale Metodo sperimentale  fascio ( π E1) : 2x10 6  + /s, 116 MeV/c, bassa contaminazione di ,e +,p   + arrestati in bersaglio attivo (fibre scintillanti): cinematica chiusa, misura di e + e 2  nel cms del  +  fondo principale:  + →e + (BR ~ 10 -4 )  rivelatore: calorimetro em (CsI puro) sferico segmentato con buona risoluzione in energia e grande copertura in angolo solido; collimatori, degradatore e bersaglio attivi (t.o.f.); MWPC cilindriche a bassa massa

45 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 45 Risultati da PIBETA: BR(  ) e V ud Approvato Approvato nel 1992, run 1999, 2000, 2001 I Fase esperimento: I Fase esperimento: ~100K eventi  β Risultati dai dati 1999-2000-2001 Risultati dai dati 1999-2000-2001 BR=(1.034  0.004 stat  0.007 syst )x10 -8 (1984: BR = (1.026  0.039) x 10 -8 ) V ud = 0.9716(39) (PDG: 0.9734(8)) → → in accordo con SM ed unitarietà CKM Massa invariante  T.o.F. tra evento  e arresto del fascio  + (esponenziale: MC vitamedia  + ) Angolo  - 

46 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 46 Nel settore bosonico dello SM per le WI ci sono 3 parametri liberi, valutati dalle 3 grandezze misurate con maggiore precisione: Costante di struttura fine α(0) = 1/137.035 999 76(50) 0.037 ppm α(M Z ) = 1/127.934(27) 210 ppm Massa del bosone Z M Z = 91.1876(21) 23 ppm Costante di Fermi G F = 1.16639(1) x 10 -5 9 ppm

47 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 47 Ralph Eichler - Direttore PSI

48 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 48 Ralph Eichler - Direttore PSI

49 Catania – 3 luglio 2006Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 49 K(e )/K(  ) in NA48 NA48/2 (sulla base del run 2003-04) propone: in ≈ 6 settimane (2007 ?) di run a ½ intensità 2003 e duty- cycle del 50%  90 000 K e2 e 27 milioni di K  2  incertezza statistica 0.46% la sistematica è dominata dalla incertezza sulla efficienza di trigger e sulla sottrazione del fondo:  incertezza sistematica 0.52% totale: 0.52%  0.46% = 0.70% ×10 -5 ≈ 0.3÷0.4% incertezza totale, usando un fascio di K + da 75 GeV/c con  p/p = 2% e un maggiore P Tkick