L’esperimento
NA48
…Passato
Presente
E. Iacopini: Bologna 24 Marzo 2005
Futuro …
e’/e
 ( K L  0 0 )
R
 ( K S  0 0 )
 ( K L    )
 ( K S    )
 1  6 Re(e '/ e )
NA48 detector
Main detector components:
• Magnetic spectrometer (4 DCHs):
redundancy  high efficiency;
Δp/p = 1.0% + 0.044%*p [GeV/c]
• Hodoscope
fast trigger;
precise time measurement (150ps).
• Liquid Krypton EM calorimeter (LKr)
Beam pipe
High granularity, quasi-homogeneous;
ΔE/E = 3.2%/√E + 9%/E + 0.42% [GeV].
• Hadron calorimeter, muon veto counters,
photon vetoes.
e’/e
Not in scale !
 ε 
Re    (14.7  2.2) 104
ε
NA48:
CP
violation
( 5M di K L   0 0 )
R
Ke3 Charge Asymmetry
( K L  e  )  ( K L  e  )
 L ( e) 
( K L  e  )  ( K L  e  )
... basato su  210 106
δ L (e) = (0.3317±0.0070stat ±0.0072syst )%
decadimenti K e3 osservati !
NA48/1: HI Ks
rare decays
× 500
 5×1010 ppp @4.2 mrad,
 ≈ 40 kHz di flusso di KS
 ≈ 6×1010 KS decays ...
(>10 times the world stat.)
Vud Vus Vub
Vcd Vcs Vcb
Vtd Vts Vtb
=
1-λ2/2
λ
ίη)
-λ
1- λ2/2
A λ3(1-ρ-ίη) -A λ2
A λ3(ρAλ2
1
dove λ=sin(θCabibbo) ~ 0.220; A ~ ρ ~ η ~ 1
ed è la quantità immaginaria η che descrive la violazione di CP
Vud V*ub +Vcd V*cb + Vtd V*tb = 0
 V*ub + Vtd ≈ lV*cb
NA48/3
CP-Violation
holy grail..
V*ub
Vtd
KL   e e
0  
(CP ≈ -1)
(CP ≈ +1)
| A2  A3 |2  BR 1012  15.3(as )2
6.8 (as ) 10 Im(lt )  2.810 Im(lt )
4
4
2
La cPT prevede che questo decadimento origini da tre diverse ampiezze
A1 (CPC )
K 2   0 * *   0 e  e 
A2 (CPVind )
e K1   0e  e
A3 (CPVdir )
K 2   0e  e
Indirect CPV
e+
e-
NA48/1
BR(KS  π0e e ) 
5.2 109 as 2
 | as | 1.060.26
0.21  0.07


9
BR(K S  π 0 e  e  )  5.82.8
2.3 (stat)  0.3(syst)  0.8(theor)  10
6 events found in the signal region with a background of 0.22+0.19-0.12



BR(K S  π μ μ )  2.9
0
1.5
1.2

(stat)  0.2(syst) 10
9
| as | 1.550.38
0.32  0.05
i K carichi

Violazione diretta di CP in K3
BR(K±±+)=5.57%; BR(K±±00)=1.73%.
“charged”

“neutral”
Kinematic variables
Lorentz-invariants
u = (s3-s0)/m2;
v = (s2-s1)/m2;
si = (PK-Pi)2, i=1,2,3 (3=odd );
s0 = (s1+s2+s3)/3 = 1/3 M2 + m2
|M(u,v)|2 ~ 1 + gu + kv2

Measured quantity
sensitive to
direct CP violation:
Centre of mass frame
u = 2mK∙(mK/3-Eodd)/m2;
v = 2mK∙(E1-E2)/m2.
Slope asymmetry:
Ag = (g+-g-)/(g++g-)≠0
NA48/2
experimental set-up
PK spectra,
603 GeV/c
54
60
magnet
66
K+
K+
BM
beam pipe
K
~71011
ppp
K
Front-end
achromat
• Momentum
selection
z
focusing beams
Second
achromat
• Cleaning
Quadrupole • Beam spectrometer
quadruplet
Beams coincide within ~1mm
all along 114m decay volume
• Focusing
vacuum
tank
1cm
He tank
+ spectrometer
10 cm
not to scale
50
100
200
250 m
|V|
Dalitz plot
Data-taking 2003:
1.61x109 events selected
K+
even pion
in beam pipe
odd pion
in beam pipe
R = U(K+) / U(K-)
= r (1+Dg·U)
K-
U
Ag measurement
(acceptance cancellation)
Apparatus-induced asymmetries:

A+ → slope of ratio U(K+ B+) / U(K+ B-)
A → slope of ratio U(K- B+) / U(K- B-)

ASJ = (AS+AJ)/2  Dg = Ag 2g


Saleve

AS → slope of ratio U(K+ B+) / U(K- B-)
AJ → slope of ratio U(K+ B-) / U(K- B+)
Z axis (beam direction)

Top view of the setup
Jura
Physical asymmetries:
X axis
true asymmetry
A± = (A+ +A)/2 = (AS-AJ)/2
asymmetry induced by the experimental setup
K±±+-
Asymmetry vs. PK
(1 month ’03 data):
c2/ndf 6/11
AS+offset
AJ+offset
ASJ + offset = 0 ± 0.21*10-3
(AS+AJ)/2 + offset
-4
Statistical
Statisticalerror
errorof
ofAAg: :4.8*10
2,7.10-4
PK, GeV/c
PK, GeV/c
A+
A-
c2/ndf 6.7/11
A = (0.13 ± 0.17)*10-3
(A++A-)/2
Ag =ASJ/2g =ASJ * 2.304, essendo g = -0.217±0.007
Risultato preliminare: dati 2003
Slope difference:
Δg = (-0.2±1.4stat ±0.9syst.)x10-4
= (-0.2±1.7)x10-4
Charge asymmetry:
Ag = (0.5±3.1stat.±2.1syst.)x10-4
= (0.5±3.8)x10-4
• Extrapolated stat. error 2003+2004: Ag≈2x10-4;
Stabilità del risultato …
Dg x10-4
Dg x10-4
30
60
20
40
10
20
0
0
-10
-20
-20
-40
-30
-60
-40
-80
40
80
K   
+

K+→+ 
• L’ elemento di matrice adronico può essere estratto dal
ben misurato Ke3: K+→ 0 e+ 
• Non ci sono contributi “long distance” all’ampiezza
  2 B( K e3 )
2
BSD ( K    )  2 4
|
X
l

X
l
|

t t
c c
2 
2 sin W | Vus | l



8.9 1011 A4 (  0   ) 2   2
Predizione (CKM Workshop):

QCD NLO
Buchalla,
Buras 1999
BR(K+ → ) = 8.0 ± 1.1 × 10-11
Sono attesi miglioramenti nel calcolo NNLO :
7% 4 % error (Buras)
K+→+  : Stato dell’arte
hep-ex/0403036 PRL93 (2004)
AGS
Stopped K
~0.1 % acceptance
BR(K+ → +  ) = 1.47+1.30-0.89 × 10-10
•Twice the SM, but only based on 3 events (→2.4) …
Possible new high-intensity K+ beam for ‘NA48/3’ (K+→)
Beam:
SPS protons per pulse
Duty cycle (s./s.)
Present K12
(NA48/2)
New HI K+
> 2006
Factor
wrt 2004
1 x 1012
3 x 1012
3.0
4.8 / 16.8
Solid angle (msterad)
1.0
 0.40
 16
40
Av. K+momentum <pK> (GeV/c)
60
75
Total : 1.35
Mom. band RMS: (Dp/p in %)
4
1
~0.25
 7.0
 20
 2.8
5.5
250
~45 (~27)
18
2.5
800
40
~45 (~27)
~16 (~10)
3.1 105
3.1 * 105
1.0
1.0 1011
4 * 1012
 40
Area at KABES (cm2)
Total beam per pulse (x 107)
per Effective spill length (MHz)
/ … / cm2 (KABES)
(MHz)
Eff. running time / yr (pulses)
K+ decays per year
Region I
Region II
not in scale …
10 MHz Kaon
decays
800 MHz
(/K/p)
… But only the upstream detectors see
the 800 MHz beam …
K+ momentum: (75.0 ± 0.8) GeV/c
Regione I
Regione II
2
0.  mmiss
 0.01 (GeV / c 2 )2
2
0.026  mmiss
 0.068 (GeV / c 2 )2
P = [15- 35] GeV/c
(2.78 ± 0.02) × 102
(14.8 ± 0.1) × 102
P = [10 - 40] GeV/c
(3.92 ± 0.02) × 102
(21.7 ± 0.1) × 102
4×1012 decays/year
@ BR = 10-10
80 events/year !!
16 events/year
But populated by
3 body decays
K+→ +   (BR≈ 8.0 × 10-11 )
m
0

00
0m
0e
63 %
21 %
6%
2%
3%
5%
Soppressione:
Veto
cinem. acc.% bck.
5.10m-6PID, kinematics
2.10-6
30
8 (<1)
veto, kinematics
3.10 -7
2.10-5
20
~1
CHV, kinematics
10-6
2.10-5
15
~1
-5
<10
15
<<1
 -8
veto, 2.10
kinematics
No problem
(called
K+m3)  veto, m PID <<1
-3
se e/
<<1
(called
K+e3<) 10
veto,
E/P
• Veti il più possibile ermetici e misure ridondanti
sono una necessità assoluta !
… comunque, l’alta energia dei K li semplifica …
CEDAR


To tag positive kaon identification
GIGATRACKER


To track secondary beam before it enters the decay region
ANTICOUNTERS


Photon vetoes surrounding the decay tank
Wire Chambers


Wire chambers to track the kaon decay products
RICH


Ring image Cerenkov, to help in disantangling muons from pions
CHOD


Fast hodoscope to make a tight K- pi time coincidence
LKR


Forward photon veto and e.m. calorimeter
MAMUD


Hadron calorimeter, muon veto and sweeping magnet
SAC and CHV


Small angle photon and charged particle vetoes



The NA48 Liquid Krypton
Calorimeter
Must achieve inefficiency < 10-5 to
detect photons above 1 GeV
Advantages:






It exists
Homogeneous (not sampling)
ionization calorimeter
Very good granularity (~2 2 cm2)
Fast read-out (Initial current,
FWHM~70 ns)
Very good energy (~1%, time ~ 300ps
and position (~1 mm) resolution
Disadvantages


0.5 X0 of passive material in front of
active LKR
The cryogenic control system needs
to be updated
D
 Cerenkov differential counter
 Highly parallel beam
m12  m22


2 p2
D

K/
Cedar-W
Cedar-N
p (GeV / c )
No Beam pipe !!!
Four views
X,Y,U,V
per chamber
beam
Soluzione alla CKM







1mm Pb/5 mm scintillatore
15 corone circolari
Superficie totale vista dai fotoni: 27 m2
Superficie totale di Pb e Sci: 2222 m2
Lunghezza delle fibre per la raccolta di luce:
240 Km
960 fototubi
Montaggio tra due sezioni del tubo a vuoto
Geometry

Specifications:





Momentum resolution to ~ 0.5 %
Angular resolution ~ 10 mrad
Time resolution ~ 100 ps
Minimal material budget
Perform all of the above in


800 MHz hadron beam, 40 MHz / cm^2
Hybrid Detector:

SPIBES (Fast Si micro-pixels)

Momentum measurement
 Facilitate pattern recognition in subsequent FTPC
 Time coincidence with CHOD

FTPC (NA48/2 KABES technology with FADC r/o)

Track direction
Test of ALICE pixel
in NA48/2 beam
150 µm thick ALICE chip
200 µm thick sensor
1.1 % X0 all together
8192 pixels
L’idea è quella di usare Glass Multigap RPCs, sullo stile di
quanto realizzato in ALICE
A questo rivelatore infatti è richiesto di essere efficiente
(>99%) e di avere un’ottima risoluzione temporale (50ps)
in modo da ridurre al massimo la possibilità di associazioni
accidentali fra il pione di decadimento ed il K che lo origina.
NIM 533A,74 (2004)
2.4 m
4x2 moduli, con lettura
a strips orizzontali
e verticali
Assumendo strips 20x1200
i canali di lettura sono
60x4x2 = 480
≈ 0.15 X0
Possibilità di self-trigger

2005






Potenziare la Collaborazione quanto
possibile
Sottomettere la proposta al SPSC e alle
altre funding Agencies coinvolte
2006-2008


Far partire tutte le attività relative ai nuovi detectors (WG)
Effettuare I test di vuoto (<10-7 mbar) nel tubo di
decadimento e verificarne la compatibilità con le camere a
straw
Effettuare una stima realistica dei costi
Costruzione, Installazione e test-beams
2009-2010

Data Taking

Siamo di fronte alla fortunata combinazione di
un caso di fisica importante, che può essere
affrontato con un acceleratore già esistente,
usando le infrastrutture (i.e. civil engineering,
hardware, …) di un esperimento in chiusura
Vogliamo comunque
sottolineare che questa
iniziativa NON è una mera
continuazione di NA48,
bensì un NUOVO PROGETTO,
che rinasce da quelle ceneri …
SPARES
V us dal K
0 
| Vus |  f K 
0
e3
128  3
0
(0) 

(
K
e3 )
2
5
GF M K 0 S EW I K 0
dove S EW  1.0232 (short distance correction)
I K 0  0.1034  0.0006
(phase-space integral)
BR(KL →30) = 0.1992±0.0070…
K 0 
| Vus |  f  (0)  0.2146  0.0016
da cui, usando f
K 0 

(0)  0.981  0.010 dal modello chirale (p 6 )
(Cirigliano, Neufeld, Pichl: EPJ C35, 53, 2004)
| Vus | 0.2187  0.0016exp  0.0023th  0.2187  0.0028
V us dallo
0
X
beta decay
Il decadiment o beta della X 0 è molto simile al decadiment o del neutrone (s  d) ...
X 0 (uss )   (uus) e   e
5 
D
m
3 Dm 
2
2
2
2

  GF | Vus |
1

|
f
|

3
|
g
|

1
1
60 3  2 mX 0 


;


Dm  mX 0  m 
V us dallo X0 beta decay
Il risultato preliminare del BR ottenuto da NA48/1 (6238 eventi), è
Br(Ξ 0  Σ  e-υ)  ( 2.51  0.03stat  0.11syst ) 104
(KTeV, con 176 eventi, fornisce: ( 2.71  0.38 ) 104 )
da cui, usando la vita media [(2.90  0.09) 10-10s] della Ξ 0 , si ha
 -
(Ξ  Σ e υ) 
0
Br

 ( 8.66  0.38exp  0.27 Ξ 0lifetime ) 105 s 1
0.21
... e assumendo f1 (0)  1 e g1 / f1  1.32 0.17
stat  0.05syst

| Vus | 0.2140.030
0.025  0.006
(preliminary)
V us dal
+
K
e3
Usando decadimenti del K  di "minimum bias" presi nel 2003, in 8 ore di run,
NA48/2 può dare un primo risultato preliminare per il Br(K   π 0 e  ν).
La normalizzazione è fornita dal decadimento K   π 0 
(Br(K   π 0 π  )  0.2113  0.0014 ).
Gli eventi selezionati erano (praticamente senza fondo)

0


0



: 260 k4344
π
π

K
k;
468
:
π
π

K
k;
33
:
K
k;
59
:
K
3
e
3
e
1444444444444444444444444444442444444444444444444444444444444
Br(K  π 0eν)  (5.140.02stat 0.06syst )%
| Vus |
K  0
f  (0)  0.2245  0.0013
ed usando, secondo Cirigliano et al., f K
(prelim.)
 0

(0)  1.002  0.010, si ha infine
|Vus | 0.2241 0.0026
in accordo con lo SM ( 0.2274  0.0021 ) , ma inconsistente con PDG2002 ...
V us da NA48/n
| Vus |PDG _ 2002  0.2196  0.0026
Altri risultati …
 K L   e  form factor:
(PDG 2004:l  0.030  0.002)
5.6M di eventi ricostruiti  l  0.0288  0.0005stat  0.0011syst
e nessuna evidenza di accoppiamenti scalari o tensoriali ...
 K L   e   : analisi model-independent, 19000 eventi:
Br(K L   e   ) *  200 , E* 30 MeV
e

Br(K L   e  )
 (0.9600.012
0.011  0.007)%
 Br(K L   0 e  )  (5.21  0.07 stat  0.09 syst ) 105
(PDG 2004:5.18  0.29)
… e altri ancora …
Asymmetry vs. time (1 month ’03 data):
K±±+-
preliminary
c2/ndf 13.5/12
AS+offset
AJ+offset
(AS+AJ)/2 + offset
Day-sample pair
Day-sample pair
c2/ndf 5.6/12
A+
A-
(A++A-)/2
Day-sample pair
Day-sample pair
… Alcune definizioni …


K (u )
U (K )
 N (1  Dg  u) 

K (u)
U (K  )
dove
u = (S3 – S0) / M2
e
Si : (PK - Pi )2 = MK2 + M2 - 2 MK E* ,
S0 =  Si /3 = M2  MK2/3 →
u=(2Mk/3M2)(MK - 3 E* )
K+
u distributions for K+ e K-
K-
E391a@PS-KEK
•First dedicated experiment to search for KL→ 0 
•SES~ 3 10-10
•Based on pencil kaon beam and photon vetoes
Scheduled for ~100 days KEK PS beam in 2004
This is a Stage I project for further study at J-PARC
KOPIO@BNL




Aim to collect 60 KL→ 0 
events with S/B~2
(Im lt to 15%)
Measure as much as possible
 Energy, Position and Angle for each
photon
Work in the Kaon Center of Mass
 Micro-bunched AGS beam
 Use TOF to measure KL momentum
Start construction in ?