Argomenti della presentazione:
 Che cosa vuole misurare NA62 e perché
 Come intende procedere
Enrico Iacopini
Univ. di Firenze
e INFN-FI
Bologna,
21 settembre 2010
La misura
L’esperimento NA62 si propone di misurare il BR del
decadimento rar(issim)o
K   
+

(BRSM~0.8×10-10) con un’accuratezza del 10%
Perché si vuole farlo ?
La ragione è che questo decadimento
 costituisce un test inequivoco delle previsioni dello SM, dato che,
in esso, il suo BR (con quello del decadimento “fratello” K L   0 )
può essere oggi calcolato con un grado di accuratezza, oggi non
raggiungibile in altri processi FCNC (10%5%).
 E’ molto sensibile a contributi di Fisica oltre il MS (NP).
Infatti, risultando  sin8qC, esso é fortemente soppresso
(BR ≈ 10-10) nel MS ed in caso di NP, contributi mediati, per esempio,
da W-ini e Z-ini sono in grado di modificarlo sensibilmente…
K→ nn : Teoria nello Standard
Model
2
2

Im

Re

Re


 
 


t
t
c
B ( K   nn )      5 X SM    5 X SM 
( Pc   Pc ,u )  

  
 
 
B ( K L0
 Im t

  nn )   L   5 X SM 
 

  Vus
c  Vcs*Vcd
t  Vts*Vtd
2
0
top
contributions
charm contribution
X SM ( NLO)  1.464  0.041
3 2 Br ( K    0en ) 8
11
8
   rK  



(5.165

0.025)

10
(

/
0.225)
2 2 sin 4 qW
The hadronic matrix element is, in fact, measured (and isospin rotated) …
Predizioni dello SM
Standard Model
BR(K++n n)  (8.5 ± 0.7)×10-11
BR(KL0n n)  (2.6 ± 0.4)×10-11
dove, per il decadimento carico che ci interessa, il break down dell’incertezza
è il seguente:
25%
incertezza sulla massa del charm (assunta 1.3 GeV);
45%
incertezze su CKM e fattori di scala;
11%
incertezze su s , mt;
19%
incertezza dal Ke3 e dal contributo da quarks u e c (16%)

k  6%; X SM  38%; Pc 17%; Pc  39%
J.Brod, M. Gorbahn; arXiv:0805.4119v1
… e, a detta dei teorici del campo, una predizione addirittura
meglio che ≈ 5% (7% nel caso del KL) sembra possibile in un
futuro prossimo
…



Eventuali discordanze, dunque, sarebbero segno di NP …
Impact of the proposed measurement
on the Unitarity Triangle
Oggi da
K+ + n nbar
(ρ,η)
α
K+→π+νν
K0→π0νν
γ
(0,0)
β
(1,0)
100 events
Mean=E787/949
BR(K+ → + n n ) = 1.73+1.15-1.05 × 10-10
Impact on possible NP
Possibility to distinguish
among several NP models
(SUSY, MSSM with or without
new sources of CPV or FV),
5-dim split fermions, topcolor,
multi Higgs, light sgoldstino,
extra-dimensions, ...)
NA62
is the continuation of NA48,
with an improved detector…
NA48: ’/
1997
’/
1998
’/
1999
no spectrometer
KL
’/
NA48/1 KS
lower inst. intensity
NA48/1: KS
NA48/2: K
NA48/2: K
Direct CP-Violation established
Re ’/ = 14.7 ± 2.2  104
KTeV (2008)
19.2 ± 2.1 
10-4
2000
+ KL Rare Decays
2001
2002
2003
2004
First observation of
K0S → 0 e+e- and K0S → 0
mm
+ KL Rare Decays
• Search for Direct CP-Violation
in charged kaon decays
•  scattering length:
(a0-a2)m+= 0.268  0.017
NA48/3  P326  NA62
NA62 phase I
Data taking: 2007
Results: end 2008
With the NA48 standard detector, perform a
precision measurement (<0.5% accuracy) of the ratio
RK 
(K  e n e )
(
 K   m n m
)
to check lepton universality and possibly observe
signals of Physics beyonf the SM
5
RK(ex
 )  (2.486  0.013)  10
(40% dataset)
RK(th)  (2.477  0.001)  10 5
NA62 phase
 II
2005: First Proposal
2013-2015: data taking
Perform the measurement of the BR
(10% accuracy) of the very rare decay
K   nn


Proposal to Measure
the Rare Decay K n n
at the CERN SPS
CERN-SPSC-2005-013
SPSC-P-326
CERN-SPSC-2007-035
SPSC-M-760
NA62 Collaboration: Bern ITP,
Birmingham, Bristol, CERN, Dubna,
Ferrara, Fairfax, Florence, Frascati,
Glasgow, IHEP, INR, Liverpool, Louvain,
Mainz, Merced, Naples, Perugia, Pisa,
Rome I, Rome II, San Luis Potosi, SLAC,
Sofia, TRIUMF, Turin
•Presented at the CERN SPSC in September
2005
•R&D endorsed by CERN Research Board on
December 2005
•Test beams for R&D in 2006-2008
•Addendum to the Proposal in November
2007
•2008-2009: approval
•2009-2011: construction
•2012: commissioning
•2013-2014: data taking
NA48 present Beam line
NA62
Data l’estrema piccolezza del BR della reazione,
la misura si può fare solo se si riesce
davvero ad “eliminare” il fondo !
(Jacques de La Palice …)
… E come si fa ?
Una bella somiglianza con
Peter.
Come hai fatto?
Semplice. Prendi un grosso
masso e togli via tutto
quello che non somiglia a
Peter
Le linee guida per NA62
O(100) eventi K++ n n in 2 anni
BR(SM) = 8×10-11
~ 4.8×1012 K+ decays/y
Accettanza ~15%
 Reiezione cinematica
n
qK
n
m2miss=(PKP)2
Veto e particle ID
~ max 15% di fondo
Tecnica di decadimento del K in volo
Fascio intenso di protoni dal SPS
K di alta energia (PK = 75 GeV/c)
Fascio non separato
Cherenkov per K tagging: CEDAR
K+: tracciatore del fascio (GTK:Si)
 : spettrometro magnetico
(STraw-CHambers STCH)
Veto g,0 : LKr + LAV + SAC
Veto eventi multitraccia: STCH
Separazione /m : MUD+RICH
Il detector di NA62
ppp:
Momentum:
Duty cycle:
Pulses/year:
SM events/y:
3.3 x 1012
75 GeV/c
4.8/16.8 s
1.5 x105
50
NA62 future
beam line
Beam line
TARGET
NA62 future
beam line
Fondo con soglia cinematica
92% dei decadimenti del K+
Decay
BR
K+ mn (Km2)
0.634
K+ +0 (K2)
0.209
K+ ++K+ 00
0.073
n
qK
n
m2miss=(PKP)2
K+ +0 determina, quanto al segnale, la divisione in due regioni utili
Regione I:
0 < m2miss < 0.01 GeV2/c4
Regione II: 0.026 < m2miss < 0.068 GeV2/c4
Reiezione basata su Cinematica, Veto e Particle ID
Fondo senza soglia cinematica
8% dei decadimenti del
Decay
n
K+
qK
n
m2miss=(PKP)2
BR
K+0en (Ke3)
0.049
K+0mn (Km3)
0.033
K+mn g (Km2g)
6.2×10-3
K+ 0 g
1.5×10-3
(2.75×10-4
PDG)
K+ en (Ke4)
4.1×10-5
K+mn ( Km4)
1.4×10-5
Questo fondo attraversa la regione del segnale
Reiezione basata solo su Veto e Particle ID
Esempio di riduzione del fondo
Quanto alla cinematica, si è assunto
(mmiss)2 ~ 10-3 GeV2/c4
Resolution requirements:
P  < 1 %
PK  < 0.5%
qK  50-60 μrad
K+→ 0 (K2)
K+→mn (Km2)
 Largest BR: 63.4%
 Need ~10-12 rejection factor
• Kinematics: 10-5
• Muon Veto: 10-5
• Particle ID: 5×10-3
MUD
RICH
 2nd Largest BR: 20.9%
 Need ~3×10-12 rejection factor
• Kinematics: 10-4
• 0 (2 Photon Veto): 3.5×10-8
Large angle:
12 ANTIs (10 < acceptance < 50 mrad)
Medium angle:
NA48 LKr (1 < acceptance < 10 mrad)
Small angle:
IRC SAC (acceptance < 1 mrad)
Va bene eliminare il fondo,
ma occorre che un po’ di segnale resti !
Selezione:
1 traccia ricostruita nel gigatracker e nelle straw
1 traccia vista nel RICH  particle-ID e timing
Traccia nell’accettanza del LKr e MUD  particle-ID
5 < Zvertex<65 m dalla 3rd stazione del gigatracker  definizione della regione
fiduciale
CDA<0.8 cm (s(CDA)~0.1 cm)  rigetta eventi mal ricostruitai
P < 35 GeV/c  essenziale sia per vetare il +0 che per mantenere la
separazione m/ del RICH a meglio dello 0.5% .
Accettanza = 14.4%
(3.5% Regione 1, 10.9% Regione 2)
Efficienza di ricostruzione del
gigatracker ~90%.
Contributo principale: taglio su P
(riduzione 50% dell’accettanza)
Rapporto segnale/fondo
Decay Mode
Signal [acc=14.4%, flux = 4.8×1012 decay/year]
K++0 [h0 = 2×10-8 (3.5×10-8) ]
# events
55 evt/year
4.3% (7.5%)
K+m+n
2.2%
K+e++n
3%
Other 3 – track decays
1.5%
K++0g
~2%
K+m+ng
~0.7%
K+e+(m+) 0n, others
negligible
Expected background
13.5% (17%)
… e veniamo ora
alle caratteristiche
che devono possedere
i principali rivelatori
di NA62 …
Il fascio che useremo …
m
2
BEAM
A
N
T
I1-12
M
H
A
C
U
V
R
IC
H M
(CERN)
1
0
T
A
X
A
chrom
at1
-1
SAC
T
arget
Primary beam:
400 GeV/c primary
from SPS
A
chrom
atprotons
2
12 protons/sC
7 target
1.1
on
C
2 x 10C
5
+75G
K~
eV
Secondary beam:
V
A
C
U
U
M
75C
GeV/c
(P/P
~
1%)
E
D
A
R
p//K (fraction of K ~6%)
e+ component suppressed
G
IG
A
T
R
A
C
K
E
R
Area at beam tracker 16 cm2
A
N
0
Integrated average rate
atTIbeam
tracker 750
MHz
N
e
1atm
IR
C
StrawC
ham
bers
-2
0
Expected kaon decays per year 4.8x1012
(1y = 100d, 60% eff.)
50
150
100
200
Iron
L
K
r
250
22
Zm
K tagging
m
2
CEDAR
A
N
T
I1-12
M
(UK+USA)
H
A
C
U
V
R
IC
H M
1
T
arget
T
A
X
A
chrom
at2
C
7
C
5
C
2
0
A
chrom
at1
C
E
D
A
R
-1
+Upgraded
K~
75G
eV version of the CEDAR built for the
SPS secondary beams:
V
A
C
U
U
M H (3.6bar) instead of Nitrogen
• Pressurized
2
• New photo detectors and electronics
G
IG
A
T
R
A
C
K
E
R
SAC
A differential Cherenkov counter for K tagging
N
e
1atm
Vary gas pressure and diaphragm aperture
A
N
T
I0
to select Kaons: 80% eff, rej err = 1%IRC
StrawC
ham
bers
-2
Iron
L
K
r
100 ps time resolution (30 pe; 1.5 x 10^9 pe/s)
0
50
100
150
200
250
23
Zm
Il Gigatracker (GTK)
800 MHz beam
Rate< 82MHz/cm2
200 ps time resolution
 <0.5 % X0 /station
(CERN, TO, FE)
A1÷A4: achromat dipole
magnets to provide the
momentum selection and
recombination
beam
not to scale
Layout of the beam on the horizontal plane
The Beam momentum is derived from the hit coordinate in GTK2 with respect
to GTK1 and GTK3 coordinates: 75 GeV/c -> 60 mm
Layout di ciascuna stazione
pixel matrix
mechanical
support
chip
18000 pixels quadrati
con lato di 300 mm
•
•
•
•
•
200 mm Silicon sensor (>11 000 e/h mip)
– Bump-bonding
Read-out chip (0.13mm techology)
– Thinned down to ~100 mm
Beam surface ~ 14 cm2
~125 mm Carbon fibre for cooling & support
Fluences: 1.×1012 to 2.×1014 1MeVequiv
n/cm2
vista frontale
Risoluzioni necessarie:
s(PK)/PK ~ 0.2%
s(dX,Y/dZ) ~ 12 mrad
(mmiss)2 ~ 10-3 GeV2/c4
Il tracking
m
2
A
N
T
I1-12
1
STRAW TRACKER
M
H
A
C
U
V
R
IC
H M
(CERN-Dubna)
T
arget
T
A
X
A
chrom
at2
C
7
C
5
vacuum
SAC
C
2 in
+75G
4 straw chambers
K~
eV
0 1 magnet (NA48 magnet, 256 MeV/c P kick)
t
V
A
C
U
U
M
4 views
per
chamber (XYUV)
A
chrom
at1
C
E
D
A
R
4 staggered layers of tubes per view
long
-1 9.6 mm Mylar tubes 2.1 m
G
IG
A
T
R
A
C
K
E
R
Total X0 ~0.1% per view
N
e
1atm
A
N
T
I0
IR
C
Full length prototypes built in 2007 and 2010
-2 Tested in beam
0
50
100
StrawC
ham
bers
150
200
Iron
L
K
r
250
26
Zm
Photon Veto I
2
1
LARGE ANGLE
VETO (LNF, NA, PI, RM1)
A
N
T
I1-12
M
H
A
C
U
V
R
IC
H M
12 rings in vacuum to cover 8.5 to 50 mrad
OPAL lead glass
T
A
Xin Frascati
A
chrom
at2
T
arget built
Rings
C
2
C
7
C
5
0
+75G
K~
eV
SAC
m
V
A
C
U
U
M
A
chrom
at1
C
E
D
A
R
-1
N
e
1atm
G
IG
A
T
R
A
C
K
E
R
A
N
T
I0
IR
C
StrawC
ham
bers
-2
0
50
100
150
200
Iron
L
K
r
250
27
Zm
Photon Veto II
(CERN-Sofia)
m
2
LKR
A
N
T
I1-12
M
H
A
C
U
V
R
IC
H M
Liquid Krypton Calorimeter
1
0
T
A
X
SAC
T
arget
Use the existing LKr from NA48
A
chrom
2
Inefficiency
foratdetecting
g measured on data
C
7
C
2
C
5
+
-6
For Eg > 10 GeV K~
e <75
8x10
G
eV
V
A
C
U
U
M
A
chrom
at1
C
E
D
A
R
IRC
-1
G
IG
A
T
R
A
C
K
E
R
Intermediate RingANTI0
Calorimeter
Radial coverage in front of LKr
7 cm < R < 14.5 cm
-2
0
50
N
e
1atm
100
SAC
IR
C
StrawC
ham
bers
Small Angle
Calorimeter
150
200
24x24 cm
Neutral particles escaping
through the beam pipe
Iron
L
K
r
250
28
Zm
The photon Veto system
Medium angle (1-10 mrad):
the “old” NA48 LKr Calorimeter
• Rate: ~8.7 MHz (m) + ~4 MHz (g) + ~4 MHz ()
New Readout
Costituisce il “cuore” del sistema dei veto:
per decadimenti K+   0 nella
zona fiduciale (5<z<65m) e con
E <35 GeV, i due fotoni del 0 sono,
nell’82% dei casi, nell’accettanza del LKr
e nel resto dei casi, quello di energia
maggiore è nel LKr+SAC.
Per questo è cruciale conoscere esattamente
la sua inefficienza in funzione dell’energia del
fotone (in NA48 LKr veniva usato come
calorimetro e non come Veto …)
/m rejection I
m
2
RICH
0
-1
-2
M
Purposes:
• /m separation between 15 and 35 GeV/c
X
A
chro
m
a~100
t2
T
a•rg
et TA
Event
time
with resolution
of
ps
C
7
C
2
C
5
+75G
• L0 trigger signals
K~
eV
SAC
1
(FI, PG, CERN)
A
N
T
I1-12
H
A
C
U
V
R
IC
H M
V
A
C
U
U
M
FullAlength
prototype
built
and
tested
at
chrom
at1
C
E
D
A
R
CERN
0.5 radius
G
IG
A
T
R
A
C
K
E
R
2 x 1000 PMT
A
N
T
I0
18 mm pixel size
Nhits ~ 17/event
tevent ~ 70 ps
[NIM A 593, 2008]
0
50
100
N
e
1atm
IR
C
StrawC
ham
bers
150
Per maggiori dettagli: vedi presentazione di R. Piandani
200
Iron
L
K
r
250
30
Zm
/m rejection II
m
2
A
N
T
I1-12
MUON VETO
1
M
H
A
C
U
V
R
IC
H M
(Mainz-Protvino)
T
arget
T
A
X
A
chrom
at2
0
-1
MUV3:
Fast trigger signals
SAC
MUV1 andC2MUV2:C5
C
7
+75G
K~
eV
Iron-scintillator sandwich calorimeters with
24 (MUV1) and 22 (MUV2) layers
ofC
V
A
U
U
M
A
c
h
r
o
m
a
t
1
C
E
D
A
R
scintillator strips.
N
e
1atm
G
IG
A
T
R
A
C
K
E
R
A
N
T
I0
IR
C
StrawC
ham
bers
-2
0
50
100
150
200
Iron
L
K
r
250
31
Zm
TDAQ
A possible scheme……
Level
L0 “hardware”
L1-L2 “software”
Input
~10 MHz
1 MHz
Output
1 MHz
O(KHz)
Implementation
Dedicated hardware
TDAQ farm
Actions
RICH minimum
multiplicity, Muon
veto, LKr (g) veto
L1 = single sub-detectors
L2 = whole event
•1track × m! × g! → 1 MHz L1 trigger input → PC farm
Main work on possible solutions for the L0 hardware
TELL-1 board (LHCb) based implementation for all non FADC sub detectors
Design of a new 100 ps TDC daughter-card (RICH, Straws, MAMUD,…)
Per maggiori dettagli: vedi presentazione di B. Angelucci
Conclusioni
NA62, studiando il decadimento ultrararo del K+ in pi nu
nubar, particolarmente “pulito” dal punto di vista teorico,
consentirà una verifica importante delle predizioni del
MS, avendo altresì molto da dire su una possibile
(nuova) fisica oltre il MS !
Lo studio dei mesoni strani K, in passato ha consentito di
capire sempre più profondamente il flavour nelle particelle
elementari ed in particolare la violazione di CP.
Avranno davvero finito di sorprenderci ?
K mesons
Flavour Physics
Il detector di NA62
STRAW Prototype results
Dubna
σ = 61 μm
5 hits for
track
σ = 136 μm/hit
Magnet MNP33
ch 1
ch 2
(Ptkick = 260 MeV/c)
ch 3
ch 4
(mmiss)2 ~
x,y,u,v
183 m from target
x,y,u,v
10 m
x,y,u,v
10 m
x,y,u,v
15 m
10-3 GeV2/c4
The photon Veto system: the LKr
Method II: brem photons, to cover the range 2 GeV < Eg< 10 GeV
Kevlar
window
Magnet
Photon beam
g
e-
Electron beam
(25 GeV/c)
vacuum
Bremsstrahlung
Energy
He
Calorimeter
Drift
chambers
Hodoscope
Inefficiency
2 < Eg < 3.5 GeV
(5.8 ± 1.3)×10-4
3.5 < Eg < 5 GeV
(1.6 ± 0.4)×10-4
5 < Eg < 7.5 GeV
(2.8 ± 1.6)×10-5
7.5 < Eg < 10 GeV
<2×10-5
Eg > 10 GeV
<1×10-5
Questi risultati garantiscono
per il sistema dei Veto
(LKr+SAC+LAV)
una inefficienza di reiezione
del 0 inferiore a 3×10-8.
Dove siamo oggi con le misure del
BR di K+   n n
K+→+ nn : State of the art
K+→+ nn : State of the art
hep-ex/0403036 PRL93 (2004)
AGS
Stopped K
~0.1 % acceptance
BR(K+ → + nn ) = 1.47+1.30-0.89 × 10-10
•Twice the SM, but only based on 3 events…
Experiment concluded
KL→0 nn : E391a
BR(K0 → 0 nn ) < 6.7 × 10-8 (90%CL)
arXiv:0712.4164v1 (27 Dec 2007)
KL  0nn at J-Parc
•
Step by step approach
–
KEK E391a ~O(10-9)
–
J-Parc Step 1:
» Move E391a
detector to J-Parc
» Search beyond the
Grossman-Nir limit
(3.5 standard model
evts/3e7 sec)
–
Step 2: Optimize
beamline and detector
for >100 events