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Risultati recenti e sviluppi futuri della fisica dei K al CERN

Risultati recenti e sviluppi futuri della fisica dei K al CERN. Incontri di Fisica delle Alte Energie Catania, 30 marzo 2005. Gianluca Lamanna Università & INFN di PISA Collaborazione NA48/2

simone
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Risultati recenti e sviluppi futuri della fisica dei K al CERN

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Presentation Transcript

  1. Risultati recenti e sviluppi futuri della fisica dei K al CERN Incontri di Fisica delle Alte Energie Catania, 30 marzo 2005 Gianluca Lamanna Università & INFN di PISA Collaborazione NA48/2 Cambridge, CERN, Chicago, Dubna, Edinburgh, Ferrara, Firenze, Mainz, Northwestern, Perugia, Pisa, Saclay, Siegen, Torino, Vienna

  2. Outline • NA48, NA48/1 • NA48/2 • La violazione di CP nel decadimento K±→±+- • Analisi • Risultati • Asimmetria in K±→±00 • Studio del Plot di Dalitz nel K±→±00 • Esperimenti futuri sui K al Cern • Conclusioni Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  3. Un pò di storia...NA48 Fasci simultanei e collineari di KL e KS a <p>=100 GeV 2 bersagli: KL e KS Cristallo curvante per tagging dei protoni che producono i KS Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  4. Un pò di storia...NA48 • NA48 (1997-2001): dopo 36 anni dalla scoperta della violazione di CP è stata identificata l’esistenza di un contributo diretto alla violazione di CP nel K0→ ’/=(14.7±2.2)·10-4 • Molti altri risultati: • KL→0gg : BR=(1.36±0.03±0.03±0.03)·10-6, importante per la parte CP conserving di KL→0e+e- • KL→gg , KL→e+e-g, KL→e+e-e+e-,|Vus|,…. Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  5. Un pò di storia...NA48/1 Fascio HiKs: 200 X Solo fascio Ks No tagger, no AKS Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  6. Un pò di storia...NA48/1 KS 0μ+μ- • NA48/1 (2002): Analisi di decadimenti rari del KS e di Iperoni. I Br dei canali in pione neutro e leptoni sono i più piccoli mai misurati al SPS BR(KS→0e+e-) = (5.8 +2.8-2.3 ±0.8) ×10-9 (7 eventi) BR(KS→0m+m-)= (2.8 +1.5-1.2 ±0.2) ×10-9 (6 eventi) • Altri risultati: • h000, KS,L→+-e+e-, KS→0gg , KS→gg ,... • BR(0 →Σ+e–ν) = (2.51 ± 0.03 ± 0.11) ·10-4 (prel.),|Vus|, 0 →Lg Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  7. Un pò di storia... NA48, NA48/1 ε, ε’ NA48 and NA48/1 Required ancillary measurements • Oltre a misure di violazione di CP, NA48 e NA48/1, hanno contribuito alla determinazione delle caratteristiche della matrice CKM oltre a misure di vario interesse (es. cPt) Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  8. NA48/2 (2003-2004) • Ricerca della violazione di CP nel settore dei K carichi, in particolare nel decadimento in 3 pioni • Studio delle lunghezze di scattering pp (Ke4, pp0p0) • Studio della dinamica delle interazioni forti a bassa energia (test di cPt) e ricerca di segnali indiretti di nuova fisica Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  9. Violazione di CP nei K carichi • la carica impedisce il mixing • violazione solo diretta • Incertezze adroniche nel calcolo teorico • L’asimmetria nella larghezza è fortemente soppressa dall’integrale nello spazio delle fasi • La violazione di CP dovrebbe apparire come una variazione nella “forma” dell’elemento di matrice Kπ+π-π± Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  10. Osservabili per la violazione di CP p1even p3odd K± p2even Variabili di Dalitz: Si=(PK-Pp,i)2 i=1,2,3 (3=odd p) u=(s3-s0)/mp2 v=(s2-s1)/mp2 |h|,|k|<<|g| Elemento di matrice: |M(u,v)|2~1+gu+hu2+kv2+... Un valore di Ag ≠0 sarebbe segnale di violazione diretta di CP!!! Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  11. Previsioni teoriche • Le previsioni teoriche nello SM sono al livello di 10-5 • Estensioni dello SM prevedono un “enhancement” di Ag • Un valore di Ag>5·10-5 sarebbe segnale di nuova fisica Le migliori misure attuali sono HyperCP prelim. (2000) at FNAL:Ag=(2.2±1.5±3.7)∙10-3;(5.4 107 K±) TNF prelim. (2002) at IHEP Protvino:Ag0=(0.2±1.9)∙10-3; (.52 106 K±) Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  12. Obiettivo di NA48/2 • Obiettivo: • Misurare il valore di Ag con un errore statistico di δAg<2.2∙10-4 nel modo carico e δAg0<3.5∙10-4 nel modo neutro • >2∙109 carichi, >108 neutri • Errore totale dominato dall’errore statistico • Metodo: • Due fasci simultanei e sovrapposti di K+ e K-, con piccolo spread in impulso • Buona risoluzione nelle variabili cinematiche per la ricostruzione del Plot di Dalitz • Equalizzazione dell’accettanza invertendo frequentemente i principali campi magnetici Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  13. I fasci di NA48/2 K+ K+ PK spectra, 603GeV/c 54 60 66 K K Definizione del momento Cleaning e Kabes Focalizzazione K+/K-~1mm Rms ~5mm Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  14. Il rivelatore Spettrometro: σp/p = 1.0% + 0.044% p [GeV/c] LKR: σE/E = 3.2%/√E + 9%/E + 0.42% [GeV] Hodo,HAC,MUV,veti Kabes Pisa Beam Monitor Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  15. Il rivelatore Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  16. Statistica raccolta • 2003run:~ 50 giorni • (analisi preliminare) • 2004run: ~ 60 giorni • Statistica totale: • K  + : ~4·109 • K 0 0 : ~2·108 • ~ 200 TB di dati su disco Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  17. Selezione di K±→±+- M=1.7 MeV/c2  K+ : 1.03x109 events • Triggerin 2 livelli (Q1, 3 track) • Selezione: • Soppressione di ghost track • Miglior vertice con 3 tracce • Tracce in tempo • Vertice di decadimento nella regione di fiducia • Taglio sulla massa del K • Background trascurabile, solo spettrometro |V| Plot di Dalitz Beam pipe  K: 0.58x109 events U Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  18. Strategia di misura • Si considera la proiezione in U del Dalitz plot per K+ e K-: N+(u),N-(u) • Si fa il rapporto di queste distribuzioni: R(u) • Si fa un fit con una funzione lineare per estrarre il valore di Dg (=g+-g-) • Ag=Dg/2g Il metodo è valido solo se l’accettanza per il K+ e il K- è uguale! I campi magnetici di (achromat e spettrometro) sono potenziali sorgenti di false asimmetrie Qualunque caratteristica dell’apparato non simmetrica per scambio di carica (non piatta in U) può introdurre una falsa asimmetria Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  19. Equalizzazione dell’accettanza Achromat – B+ B- B+ B- B+ B- Week 1 B+ Achromat + B+ B- B+ B- B- Week 2 B- B- Achromat – B+ B- B+ B+ Week 3 Achromat+ B+ B+ B- B+ B- B- Week 4 B- Achromat – B+ Week 5 Achromat+ B+ B- • Tutti i campi magnetici sono invertiti “frequentemente”, i campi non invertibili sono misurati e tenuti in conto • Beam line (achromat) (A): inversione su base settimanale • Spettrometro (B): inversione su base giornaliera SuperSample 1 SuperSample 2 SuperSample 3 Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  20. Cancellazione dell’accettanza Y N(A+B+K+) X RUS= Achromats: K+ Up N(A+B-K-) B+ Jura N(A+B-K+) RUJ= Z N(A+B+K-) B Saleve N(A-B+K+) Achromats: K+Down RDS= N(A-B-K-) N(A-B-K+) RDJ= N(A-B+K-) Per permettere la cancellazione (al primo ordine) delle differenze di accettanza si confrontano distribuzioni di U raccolti dalla stessa parte del detector, in giorni differenti Gli indici di R: U,Dpolarità achromat J,Sdirezione di deviazione di K+ nello spettrometro Raccolti in tempi differenti Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  21. Cancellazioni Left-Right RU = RUS*RUJ f(u)=n∙(1+2gU,Du) RD = RDS*RDJ • Differenze destra-sinistra del rivelatore si ignorano nel considerare separatamente RJ,RS • Campi magnetici permanenti (campo terrestre, magnetizzazione del Blue Tube): si cancellano grazie alla simmetria azimutale • Effetti asimmetrici per carica dovuti • Effetti di accoppiamento tra campi permanenti e campo dello spettrometro (variazioni destra sinistra dell’accettanza) • Instabilità temporali comuni ai due fasci • Si cancellano nel doppio rapporto Jura-Saleve Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  22. Cancellazioni Beam line • Differenze introdotte dal diverso percorso dei fasci dei K • Asimmetria di una parte dell’achromat • Differente accettanza per fasci non perfettamente coincidenti (~1mm) • Si cancellano nel doppio rapporto Up-Down RS = RUS*RDS f(u)=n∙(1+2gS,Ju) RJ = RUJ*RDJ • La massima cancellazione si ha nel 4-uplo rapporto R = RUS*RUJ*RDS*RDJ f(u)=n∙(1+4gu) Il risultato finale è sensibile soltanto a variazioni temporali left-right del detector Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  23. Principali effetti sistematici • Variazione nel tempo della geometria dei fasci • Variazione nel tempo dell’allineamento dello spettrometro • Non perfetta inversione del campo B • Variazione dell’efficienza di trigger (DCH, HODO) • Accoppiamento del campo magnetico terrestre con piccole variazioni dell’accettanza • Accoppiamento del decadimentoπ±± con altre sistematiche • Altre sistematiche: • Differente interazione p+/p- • Pile Up, Accidentali • Track Charge mis-identification Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  24. Movimento dei fasci DCH1 (upstream magnet) K K+ X, cm • L’accettanza è limitata principalmente dal taglio sul raggio interno delle DCH • Questo introduce differenze se i fasci non sono stabili nel tempo (movimento nel burst e nel run) • L’instabilità nel Run è corretta centrando il taglio sulla posizione effettiva del fascio del K+ e del K- • L’instabilità nel burst essendo uguale per K+ e K- è trascurabile • Errore sistematico: <0.5·10-4 Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  25. Allineamento dello spettrometro • Periodico allineamento con i muoni non è sufficiente • L’effetto su Dg non si cancella nel doppio rapporto • I momenti sono riscalati per mezzo di una correzione ottenuta imponendo che la massa del K+ coincida con la massa del K- • Un ulteriore correzione (alla non perfetta inversione del campo B) è fatta imponendo che la massa del K sia uguale alla massa del PDG (~100 KeV per DI/I ~10-3) • Errore sistematico: <0.1·10-4 Maximum equivalent horizontal shift: ~200m @DCH1 or ~120m @DCH2 or ~280m @DCH4. Sensibilità equivalente alla DCH4: M/x  1.5 keV/m. Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  26. Montecarlo Example of data/MC agreement: mean beam positions @DCH1 K+ data K data K+ MC K MC K+ K • Grazie alle cancellazioni di effetti di accettanza il MC è usato soltanto per lo studio di effetti sistematici • Il MC è basato su GEANT: simulate le variazioni di geometria dei fasci, inefficienze delle camere,... Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  27. Riassunto sulle sistematiche Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  28. Stabilità del risultato Risultato stabile in molte variabili di controllo!! Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  29. Risultato preliminare: 2003 Slope difference: Δg = (-0.2±1.0stat.±0.9stat.(trig.)±0.9syst.)x10-4 = (-0.2±1.7)x10-4 Preliminare!!!! Charge asymmetry: Ag = (0.5±2.4stat.±2.1stat.(trig.)±2.1syst.)x10-4 = (0.5±3.8)x10-4 Gli errori sistematici sono conservativi. Errore statistico atteso 2003+2004: Ag=1.6x10-4 Nel 2004 l’errore sistematico è minore (più frequente inversione dei campi, trigger più efficiente,...) Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  30. Asimmetria K±→±00 Dalitz-plot v M=1.1 MeV/c2 Events u M(3), GeV/c2 • La U è ricostruita utilizzando soltanto le informazioni del LKR • Come check sistematico può alternativamente essere ricostruita con Kabes e Spettrometro • Più grande sample di K±→±00 mai raccolto (~200M) Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  31. Asimmetria K±→±00 x104 80 60 40 20 0 -20 Kaon energy, GeV -40 -60 Global offset applied to g -80 -100 63 64 59 60 61 62 56 57 58 55 65 • La precisione raggiungibile su Ag0 è simile al modo carico • Statistiche: N0/N±~1/20 • Rapporto slopes: |g0/g±|3 • Distribuzione del Dalitz Plot più favorevole (~1.5) • Errore statistico (SS1-3=(1/2)*2003): Ag(stat)=2.2x10-4 • Errore statistico atteso (2003-2004): Ag(stat)=1.3x10-4 • Tecnica di misura analoga al modo carico ma sistematiche differenti (trigger) Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  32. Confronto con esperimenti precedenti Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  33. Cusp effect: interazione di p nello stato finale • 2 pioni nello stato finale del decadimento K±→±+- possono fare : • rescattering (Strong)  (a0-a2) -> scambio carica -> 2 p0 • atomi pionici (Electromagnetic) -> delta -> decadimento in 2 p0 p+ p0 p+ K+ p- p0 Ambedue questi effetti contribuiscono alla distribuzione della massa Mp0p0 del decadimento K±→±00 ! Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  34. Metodi Standard per l’estrazione di (a0-a2) • Ke4 (K->ppen): (a0-a2) compare nei fattori di forma del decadimento • BR= 4·10-5 • Na48: 2 volte più statistica dei precedenti esp. • Vita media del pionio: proporzionale a (a0-a2)2 • Dirac exp.: produzione diretta di atomi pionici ionizzati • vitamedia molto piccola (3·10-15) PREVISIONI TEORICHE(ChPT) Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  35. Modello di Cabibbo (semplificato) p± p± p± K± K± K± p0 p- p0 p0 p0 p0 M p+ M0 M1 p0 + = Emissione Diretta K±→±00, reale>0 M0~ 1+gu+... No interferenza Interferenza distruttiva Nicola Cabibbo (2004) hep-ph/0405001 Phys. Rev. Lett. 93, 121801 (2004) Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  36. Modello di Cabibbo-Isidori (completo) • La teoria deve essere predittiva a 10-3 visto che NA48/2 può misurare questo effetto al % • rescattering ad ordini superiori • correzioni radiative Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  37. Osservazione sperimentale Dati-NA48 Teoria La differenza di forma è dovuta all’accettanza! Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  38. Osservazione Sperimentale Dati-NA48 Teoria Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  39. Check Sistematici:E’ un effetto del rivelatore? • MC • . Dati Distanze al LKR a)Min g dal centro b)max g dal centro c)min gg d)min gp Rapporto tra intervalli prima e dopo il cusp: confronto dati e MC Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  40. Vari modelli di fit Parametri del fit: g,h,(a0-a2),a2, atomi (data-fit)/data Solo M0 (data-fit)/data Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  41. Miglior fit • Si è osservato che effetti di risoluzione fanno si che il fit migliori se gli atomi pionici vengono fissati al valore teorico atteso • è molto difficile misurare il BR degli atomi (una delta) nella posizione della soglia Atomi al valore teorico (Silagadze 1994): Chi2=149/147 dof Atomi liberi: Chi2=144/146 dof Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  42. Risultato preliminare su a0-a2: 2003 • Principali sistematiche: • Fit method: 0.008 • Taglio sulla distanza trk-cluster 0.004 • Dipendenza da Z 0.009 • Dipendenza dalla carica 0.006 • Totale 0.014 Preliminare!!!! • Solo SS1-3 (30M di eventi)! • 3 analisi indipendenti (accordo in 0.001) • Ulteriori sviluppi teorici attesi • Analogo studio sui dati del 2000 nel KL->3p0 Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  43. Cusp in KL Posizione sperimentale: 0.0786±0.0006 Valore atteso: 0.0781 Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  44. Altre analisi in corso • K→pp0g(Direct photon emission, interferenza con IB, asimmetria di carica) • K→ppen,p0p0en,ppmn,p0p0mn((a0-a2) e BR) • K→p0en,p0mn(Vus (prel.), fattori di forma) • K→p0eng(BR, violazione di T) • K→pp0ee(BR, violazione di T) • K→pgg,pggg(ChPt) • K→en,mn(BR, universalità leptonica) • K→lln,p0p0p0en, etc...(BR,...) Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  45. Futuro dei K al CERN • Lo sviluppo naturale della fisica del K al CERN è lo studio dei decadimenti ultrarari • Proposal “NA48/3” (nome solo indicativo): (LOI:CERN-SPSC-2004-029/SPSC-I-229) • Misura del BR di K±->p±nn • 100 eventi con S/N=10 in 2 anni di presa dati • Run nel 2010 • In eredità da NA48/2 • Hall sperimentale • Linea di fascio • Alcuni rivelatori (LKR,...) • Test effettuati nel 2004 Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  46. Perche’ il K->pnn Kopio@BNL |Vtd| • Misura di Vtd al 10% • Piccola incertezza teorica Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  47. Problema sperimentale BR(K±→p±nn) ~10-10 (3 eventi) • 2/3 dello stato finale è invisibile: • Misura ridondante del p e del K (doppio spettrometro, spettrometro per K) • Veto ermetico per g e m (veti nella regione di decadimento e sulla linea di fascio downstream) Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  48. Layout Sperimentale Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  49. Rivelatori • CEDAR • Per l’identificazione positiva del K • GIGATRACKER • Per misurare l’impulso del K • ANTI • Veti ermetici per fotoni • WC • Doppio spettrometro (Straw tubes) • CHOD • Hodoscopio veloce per la coincidenza K-p • LKR • Veto in avanti e calorimetro EM per altri studi • MAMUD • Calorimetro adronico, veto per muoni e sweep magnet • SAC and CHV • Veti per fotoni e particelle cariche a piccolo angolo Gianluca Lamanna – IFAE 2005

  50. Beam Gianluca Lamanna – IFAE 2005

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