Test dell’universalità e- nei decadimenti K± → l±: misura del
rapporto RK = (Ke2)/(K2) in NA62
Test dell’universalità e- nei decadimenti K± → l±: misura del
rapporto RK = (Ke2)/(K2) in NA62
Giuseppina AnzivinoUniversità di Perugia e INFN
Bologna 24 aprile 2008Bologna 24 aprile 2008
Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK2
Argomenti
Breve storia di NA48/NA62 Universalità e-: premesse teoriche RK e fisica oltre il Modello Standard Situazione sperimentale NA48/2 – risultati dati 2003-2004 NA62 - run dedicato nel 2007 Stato dell’analisi Futuro: misura di K+→ Conclusioni
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NA48
Ricerca di violazione diretta di CP nei decadimenti K±→ 3 misura delle lunghezze di scattering
NA48
NA48/1
NA48/2
Violazione diretta di CP nei decadimenti dei K neutri Re(’/) = (14.7 ± 2.2) x 10-4
Misura del parametro |+-|
Decadimenti rari del KS
prima osservazione e misura del BR di KS 0e+e- e KS 0+-
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NA48 NA62
NA62 fase I
dati 2003-2004run dedicato 2007
NA62 fase II
proposta 20052008-2010 R&D
+ costruzione2011 presa dati
Test di precisione dell’universalitàleptonica attaverso la misura del rapporto
K
eKR e
K
Misura del decadimento rarissimo,processo FCNC e sensibile a NP
K
NA48/3 P326 NA62
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Test di universalità leptonica con NA48/2 e NA62
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Universalità leptonica
Decadimento puramente leptonico
W e
e
W
eg g
004.0001.1/ egg
Analogamente per
003.0999.0/ gg
Universalità valida anche per Z0 e+e-, +-, +-
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I mesoni K e
K±→l±
±→l±ideali per test di SM
e ricerca di nuova fisica
MAlimitazioni dovute alle incertezze teoriche
(a livello del percento) in particolare incertezze su quantità non perturbative, per esempio le
costanti di decadimento f e fK
non direttamente utilizzabili per ottenere constraints su NP
I decadimenti leptonici dei mesoni pseudoscalari leggeri
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Il rapporto RK
Tuttavia le incertezze adroniche si cancellano nei rapporti
K
eKR e
K
eeR
le predizioni dello Standard Model per R e RK sono note con grande precisione
diventa possibile il confronto con i risultati sperimentali precisi
La misura di RK è il modo più promettente per rivelare effetti di deviazione dalla universalità -e in questi decadimenti
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RK nello Standard Model
5
2
22
22
2
2
10001.0477.21
QEDK
eKeeK R
mm
mm
m
m
K
eKR
[V. Cirigliano and I Rosell, JHEP 0710:005 (2007)]
Ke2 soppresso a causa dell’elicità
include solo IB e non DE
correzioni radiative
(Kl2 e fotoni virtuali)
δRK = -3.8% RK/RK ~ 0.04%
RK è soppresso per elicità a causa della struttura V-A dell’accoppiamento a corrente carica
SM
ChPT, O(e2p4)
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Correzioni radiative
RK predetto dallo SM include l’Inner Bremsstrahlung (IB) non include la Direct Emission (DE) (termine dipendente dalla struttura (SD)
trascurabile in K2, grande in Ke2
gli esperimenti misurano Ke2()/K2() inclusivo e sottraggono SD
effetti sull’accettanza
trattamento delle correzioni radiative importante
IB SD
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RK oltre lo SM
In un articolo recente è stato mostrato che: effetti di SUSY (MSSM) possono modificare il valore di RK previsto
dallo SM a livello del percento (fino a 3% in alcune configurazioni)
R-parity è la sorgente di nuova fisica da testare con RK
questi contributi in SUSY derivano da effetti di LFV e non LFCA. Masiero, P. Paradisi, R. Petronzio, hep-ph/0511289 PRD74 (2006)
Contributo dominante a RK di LFV dovuto a SUSY deriva da scambio di Higgs carichi
,tan
2232 el
M
mglH l
RW
Accoppiamenti effettivi di Yukawa LFV
31 è il termine LFV connesso alla soppressione di elicità del Ke2, 32
trasc.
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RK in SUSY
• Contributo da diagrammi con loop • Contributi LFC sono soppressi (~ (tanβ)2), termini LFV (~ (tanβ)6)
• Alti valori di tanβ -> RKLFV grande
62
312
2
4
4
tan1eH
KSMK
LFVK m
m
m
mRR
Es.: se tanβ=40 e MH=500 GeV
RKLFV = RK
SM (1 + 0.013)K golden modes per test di LFV
Il limite per LFV in Ke2 si converte in limite su 13=13(mH±,tan)
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Paragone con B± ±
B
possibili transizioni via H±
2
0
2
2
2
tan1
tan1
H
B
SM
SUSY
M
m
BR
BR
Per valori di 31 non troppo piccoli
Sensitività a H± in Ke2/K2
migliore rispetto a B
dipendenza da M (H±) e tan (Isidori, Paradisi PLB 639(2006)) LFV non richiesto no 13
0 ~ 0.01)
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Situazione sperimentale
Situazione sperimentale prima dei risultati di
NA48/2 abbastanza scarsa
valore del PDG basato su 3 esperimenti degli anni ’70
effettuati con K a riposo
Errore sperimentale maggiore di due ordini di grandezza rispetto alla incertezza teorica
%5.4/1011.045.2 5 KK
PDGK RRR
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Misure di NA48/2
Dati 2003 1 mese di presa datitrigger: 1 traccia + energia EM + cinematica4K Ke2 candidati raccolti
sistematica non riducibile a causa della inefficienza di trigger ~ 15 %
Dati 2004 56 ore di presa datitrigger lasco: 1 traccia + energia EM4K Ke2 candidati raccolti
sistematica non riducibile a causa del fondo di K2 nel sample di Ke2
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Il rivelatore di NA48Componenti principali: Spettrometro magnetico (4 DCHs): 4 viste: ridondanza efficienza σ(p)/p 1.0% + 0.044% p [GeV/c]
Odoscopio: trigger veloce e misura precisa del tempo (150ps)
Calorimetro e.m. a Liquid Krypton: 10 m3 (~22 t), 1.25 m (27 X0), 13212 celle granularità 2x2 cm2, quasi omogeneo σ(E)/E = 3.2%/√E + 9%/E + 0.42% [GeV]
Calorimetro adronico, contatori di veto e contatori di muoni
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Rivelatore
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I fasci simultanei di K+/K- Disegnato per la ricerca di violazione di CP nei decadimenti K±3
Fasci di K+ e K- simultanei e quasi collineari di energia 60 GeV (K+/K- ~1.8)
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Strategia della misura
)()()(
)()()(1
)()(
)()(
222
222
22
22
ePIDeTRe
PIDTR
BG
eBGeK KKKAcc
KKKAcc
DKNKN
KNKNR
N(Kl2) = numero di eventi selezionatiNBG(Kl2) = numero eventi di fondo
Acc(Kl2) = accettanza geometrica
TR(Kl2) = efficienza del trigger
PID(Kl2 )= efficienza della selezioneD = downscaling del trigger• Eventi Ke2 e Kμ2 raccolti contemporaneamente
rapporto indipendente dal flusso.• Cancellazione di alcune sistematiche nel rapporto• Il contributo dominante all’errore, la sottrazione
del fondo, dipende dalla statistica
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Selezione degli eventi
Geometria topologia a 1 traccia 15 < p < 50 GeV/c vertice nella regione di decadimento accettanza geometrica
Particle ID (E/p) e (E/p > 0.95) (E/p < 0.2)
Cinematica decadimento a 2 corpi Mmiss
2 = (pK-pl)2
-0.015 < Mmiss2 < 0.015
Cinematica simile per Ke2 e K2 massimizzare i tagli comuni
K2
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Background/1
La sorgente principale di incertezza è legata alla sottrazione del fondo
Ke2 e K2 cinematicamente indistinguibili ad alto impulso Il può subire, con una probabilità di ~ 5x10-6, una perdita catastrofica di energia nel LKr E/p 1 simulando un elettrone questo fondo è misurato dai dati in bin di impulso 14 % fondo da K±0e± ottenuto da MC fondo da K±±0 trascurabile per K2
Fondo dominate per Ke2 è dovuto al
K2
dati MC
run 2003-2004pK = 60 GeV, pkick = 120 MeV/c
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Background/2pt e ptrack sono legate da una relazione ellittica correlata alla mmiss
2
e
tKeK
K
Kmiss p
pppp
p
mem
222
Ke2 selezionati con taglio nella regione fiduciale a 3 dalla media
analogamente per K2
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Risultati runs 2003 e 2004• Dati 2003
sample finale (4670 ± 77stat) eventi Ke2
errore sistematico dominato dal trigger
• Dati 2004
sample finale (3407 ± 63stat ) eventi Ke2
errore sistematico dominato dalla sottrazione del fondo k2
RK 2.416 0.0430.024 10 5
RK 2.455 0.045 0.041 10 5
preliminariKLOE: ~ 8K eventi nel 2007, precisione 2.7%, target ~ 1%
51005.005.055.2 KR[arXiv:0707.4623]
RK/RK ~ 2%
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Flavianet fit per RK
RK 2.457 0.032 10 5 2 /ndf 2.44 /3
Il gruppo Flavianet ha eseguito un fit di RK, combinando i risultati delPDG 2006 con i risultati preliminari di NA48/2 e di KLOE
grande improvement wrt PDG ora RK/RK ~ 1.3 % accordo perfetto con lo SM
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NA48/3 P326 NA62
NA48/2 poteva migliorare l’incertezza dal 2% allo 0.5%
con l’apparato esistente
Proposta presentata in febbraio 2007 al SPSC e al Research Board approvata
fase I misura di RK e test di prototipi per la fase II
fase II misura del decadimento K+ +4 mesi di presa dati (escluso i periodi per i
test)Goal raccogliere ~ 1 105 eventi Ke2
Nasce Nasce NA62NA62Nasce Nasce NA62NA62
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Riduzione della sistematica
Nuovo fascio e nuova configurazione dello spettrometro
impulso del K: (60 ± 3) GeV/c (75.0 ± 2.5) GeV/c Fascio di soli K+ usato per la maggior parte del run
fondo dell’alone del fascio ridotto da 20% a 1%
Ottimizzazione della risoluzione in massa mancante
Misura precisa del fondo di K2 e della probabilità di mis- identificazione dell’elettrone
Trigger di minimum bias (come per il run 2004)
Sorgente principale fondo da K2
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Fondo K2 - cinematica
Identificazione dei candidati Kl2 con
la cinematica Mmiss2 (assunzione me)
ottimizzazione della risoluzione in massa mancante
Mmiss2 (l) = (pK-pl)
2
pK fasci a banda stretta
pK/pK 2% vs 3% nel 03-04
pl momentum kick del magnete 120 MeV/c 263 MeV/c p/p = 0.47%+0.020p (p in GeV)
p < 40 GeV/c ~ 43% eventi
Fondo atteso da K2 nella regione di analisi ~ 7%
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Fondo K2 – E/p
identificazione dell’elettrone basata sull’energia nel LKr 0.95 < ELKr/ptr < 1.05
P(e) ~ 10-6, dipendente da p(in accordo con la sezione d’urto di bremmstrahlung)
K2 costituiscono il fondo maggiore per gli eventi Ke2
p > 40 GeV/c
Mauna frazione di muoni subisce una perdita di energia “catastrofica” nel calorimetro e.m.
mis-identified come elettroni
~ 57% eventi
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Misura P(e)Misura diretta
Muro di piombo posizionato su parte dell’accettanza (tra i due piani dell’odoscopio )
tracce che attraversano il muro + 1 MIP nell’odoscopio
sample di puri
sample raccolti:1) da K2, durante la presa dati2) con run speciali di soli
• spessore Pb(4.5 cm) + Fe (2.0 cm) 9X0
• larghezza 240 cm = diametro odoscopio• altezza 18 cm = 3 contatori
• Perdita del 18% in accettanza• e sono fermati (passano solo i )• Si misura la distribuzione di E/p
per i nel LKr• Installato per 50% tempo di run
e
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TriggerContinui miglioramenti durante la presa dati in modo da migliorare la purezza del trigger Ke2:
1) introduzione della condizione sulla molteplicità nelle camere a drift (1TRK)2) ottimizzazione del downscaling3) ottimizzazione dello steering dei fasci4) smontaggio del muro di piombo
TriggerCondition Rates/SPS spill Purity
Start-up End-of-run Start-up End-of-run Start-up End-of-run
Ke2 Q1ELKr Q1ELKr1TRK 0.23 0.54 0.610–5 1.310–5
K2 Q1/50 Q11TRK/150 290 160 1.8% 1.8%
trigger K2 usato anche per monitorare il trigger Ke2
vari trigger di controllo acquisiti inefficienze ~ 0.1%, misurate direttamente
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Dati raccoltiPresa dati: dal 23 giugno al 22 ottobre2007
112 K eventi selezionati, fondo < 10%, errore statistico ~ 0.3%
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Stategia di analisi
Analisi 2007 analoga 2003-2004
candidati Ke2 e K2 raccolti simultaneamente cancellazione di alcuni effetti sistematici (p.e. parte della ricostruzione, efficienze di trigger)MC usato limitatamente: solo accettanza geometrica
Missing mass squared, (GeV/c2)2
Ke2 candidates: Mmiss2(e)
K2 candidates: Mmiss2()
Express analysis:~3% of the 2007 K+ sample
K2
background
RK misurato in bin di impulso della traccia corretto per
accettanza geometrica efficienza di trigger e efficienza di particle ID
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Background/1
Fondo principale
1) decadimento K2: stimato (7.4 ± 0.2)% dalla misura di P(e)
2) alone del fascio: stimato (1.3 ± 0.1)% usando runs con il fascio senza K+ Può essere ridotto con tagli più stretti sulla qualità del vertice
Altri fondi
1) Ke2(SD): stimato (0.7 ± 0.1)%
2) Ke3: stimato < 1%;
3) K++0 no evidence at 1% level
sample Ke2
sample K2
1) alone del fascio ~ 0.1% 2) K++0 < 0.5%
p, GeV/c
P(e) from the run
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Background/2
3 settimane di fascio per studi di sistematica settembre 2008
Background subtracted
Raw Ke2 candidates
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Risultati attesi
Precisione attesa su Ke2/K2
statistica ~ 0.3 % totale ~ 0.5 %
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Sommario RK
I decadimenti Kl2 forniscono un’ottima opportunità per effettuare test di fisica oltre lo SM, in particolare RK
Nell’ambito di SUSY, si aspetta LFV fino al 3% Presentati i risultati preliminari 2003 e 2004 Presentato l’esperimento NA62, la presa dati e lo stato attuale dell’analisi Errore statistico atteso ~ 0.3%, errore totale su RK ~ 0.5%
Questa misura o troverà deviazione dal valore atteso dello SMo fornirà dei limiti molto stringenti nei parametri di SUSY
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Misura del BR(K+ +)
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NA62
Proposta presentata al SPSC del CERN in settembre 2005 R&D sostenuta dal Research Board del CERN in dicembre 2005 Costruzione dei prototipi e test beam 2007 al CERN e LNF La fase di R&D sarà completata nel 2008 (tests in ottobre) Costruzione, installazione e test nel 2008-2010 Inizio presa dati nel 2011 In attesa di approvazione formale definitiva……..
Birmingham, CERN, Dubna, Fairfax, Ferrara, Firenze, Frascati, Mainz, Merced, Mosca, Napoli, Perugia, Pisa,
Protvino, Roma, Saclay, San Luis Potosi, Stanford, Sofia, Triumf, Torino
CERN-SPSC-2005-013 SPSC-P-326
Sviluppo temporale
NA62NA62
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Motivazioni di fisica
processi FCNC che avvengono attraverso diagrammi a loop sensibili a Vtd
Incertezze teoriche molto piccole: i contributi a corta distanza dominano, gli elementi di matrice adronici possono essere estratti da quantità misurate (Ke3).
golden modes test dello SM e del mixing dei quarks (unitarietà CKM) sondare effetti di NP
• Minimal Flavour Violation • nuove sorgenti di rottura della simmetria di sapore (~TeV)
decadimenti K → KL→0K+→+
KL→0e+ e-
KL→0+ -
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State-of-the-art
Predizioni SM (incertezze dagli elementi della matrice CKM): BR(K++) (1.6×10-5)|Vcb|4[2+(c-)2] (8.0 ± 1.1)×10-11
BR(KL0) (7.6×10-5)|Vcb|42 (3.0 ± 0.6)×10-11
Misura esistente: BR(K++) (E787/949 @BNL) (1.47 ) × 10-10 (3 eventi)
Misura recente: BR(KL00)
(E391a @ KEK) < 6.7 × 10-8 (90%CL)
KL 0
K+ +Vud V*ub + Vcd V*cb + Vtd V*tb = 0
compatibile SM
+1.30-0.89
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Limiti attuali
100 eventsMean=SM
100 eventsMean=E787/949
Misura di E787/949 Limiti attuali nel piano
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Sensitività a K++
Dalle misure di E787/949 e di E391a
Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK43
Cinematica
BR(SM) = 8×10-11
Accettanza segnale 10% Decadimenti di K ~ 1013
Tecnica del decadimento in volo del K Fascio intenso di protoni dal SPS K di alta energia (PK = 75 GeV/c) Contatore Cerenkov per
identificazione del K (CEDAR)
impulso del K: tracciatore di fascio impulso del : Spettrometro
Calorimetro per rivelare /m RICH (separazione ) Spettrometro per eliminare
le particelle cariche
KK+
m2miss=(PKP)2
Basso livello di fondo~100 eventi K+
NA62 – linee guida
Contatori di veto Identificazione di particelle
Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK44
Cinematica e fondi
92% dei decadimenti del K
kinematically constrained
8% dei decadimenti del K
definizione di una regione di segnale K++0 determina la divisione in due parti: Regione I e Regione II
attraversa la regione di segnale reiezione basata su Veto e particle ID
NOT kinematically constrained
Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK45
Layout
~11 MHz of K+ decays
K+ +
Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK46
I rivelatori CEDAR: Cherenkov differenziale per l’identificazione del K
positivo nel fascio (50MHz) GIGATRACKER: Tracciamento del fascio (Si micropixel) a monte
della regione di decadimento (800 MHz) CAMERE A STRAW: Spettrometro basato su 4 stazioni di camere
a tubi straw per tracciare i prodotti di decadimento del K (~10 MHz)
RICH: Ring Image Cherenkov, per rivelare il pione proveniente dal
K positivo, distinguere muoni da pioni e per trigger veloce
LAV: Veto per fotoni a grandi angoli (vetro al piombo) LKR: Veto per fotoni in avanti e calorimetro elettromagnetico (calorimetro a LKr di NA48) IRC/SAC: Veto per fotoni ad angoli piccoli e intermedi MUD e sweeper: rivelatore per muoni (calorimetro adronico di
NA48 con ferro e piano di scintillatore per trigger veloce) con magnete deflettore del
fascio non decaduto
Bologna, 24-4-08 Universalità leptonica - RK47
Conclusioni
Test di universalità leptonica con Kl2 Dati 2003-2004
RK/RK ~ 2% ottimizzazione della strategia sperimentale
Dati 2007 run dedicato, 4 mesi di presa dati precisione attesa ~ 0.5% analisi dei dati iniziata
Misura del BR del decadimento K+ + O(100) eventi in 2 anni di presa dati , fondo 10%, sensitivity ~ 10-12
fase di R&D in completamento nel 2008, in attesa di approvazione…..
analisi dei dati iniziata
Un programma molto ricco nell’immediato futuroStay tuned!!
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