F.Ambrosino
Napoli, Riunione Gruppo 1
21/12/2006
Cos’è P326
Una proposta di esperimento per misurare il BR(K+p+nn) con
una statistica di circa 100 eventi osservati in 2 anni di presa
dati su un fascio non separato di K estratto dall’SPS. Nello SM
il valore atteso per tale BR è di circa 10-10
Vantaggi fascio non sep.:
-K di alto impulso (migliore veto)
-Alta resa di K (4x1012/SPS year)
Svantaggi:
-p/K ratio= 10/1 nel fascio
- 1GHz di rate (40MHz/cm2) per i rivelatori upstream
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
2
Perché P326 ?
•
K+→p+
–
–
–
–
_
nn: predizioni teoriche accurate
Solo fisica short distance
No EM penguins
Elemento di matrice determinato sperimentalmente (K+→p0 e+n)
Errore teorico del 5-7% sull’ampiezza, legato ai charm quark loops,
riducibile a pochi % con calcoli NNLO
• BR(K+→p+ nn) = (8.0 1.1) 10 –11 in the SM @ NLO
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
3
Come è fatto P326 ?
1.5 m
p+
K+
n
n
800 MHz
(p/K/p)
Solo i rivelatori upstream sono
sottoposti al fascio da 800 MHz
F. Ambrosino
10 MHz Kaon
decays
Riunione Gruppo I 21/12/2006
4
Reiezione Background
Compito principale di un esperimento pnn
TUTTI i decadimenti K+ sono potenzialmente
pericolosi
Goal di P326: S/B = 10
~10-12 rejection
2-Steps:
Reiezione cinematica
Risoluzione particelle cariche
Veto e Particle ID
Efficienza ed ermeticità
g, m, charged particles
m – p - e separation
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
5
Riepilogo sui principali fondi
Canale
m+n
p+p0
p+p+pp+p0p0
p0m+n
p0e+n
F. Ambrosino
BR
63 %
21 %
6%
2%
3%
5%
Soppressione:
m PID (10-6), cinematica (10-6)
g veto (10-8), cinematica (10-4)
CHV, cinematica
g veto, cinematica
g veto, m PID
g veto, E/P
Riunione Gruppo I 21/12/2006
6
I veti per fotoni
Il gruppo ha la responsabilità, insieme a PisaRoma1-LNF e Protvino, di realizzare i veti per fotoni a
grande angolo (ANTI) che costituiscono insieme al
RICH il rivelatore di maggiori dimensioni e
rappresentano il leading cost di P326 dal punto di vista
finanziario.
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
7
Veti a grande angolo
- 12 counter rings, 4 different sizes, 28 m2 surface
- Depth >17 X0
- Have to operate in vacuum with extremely high efficiency
- Good time and energy resolution
Still 2 technologies under study
16 modules/ring, structure with
lead/scintillator tiles + WLS
fibers
F. Ambrosino
2 circular sectors/ring, structure with
lead/scintillating fibers
Riunione Gruppo I 21/12/2006
8
Attività 2006
•Realizzato un prototipo curvo alla KLOE -> (Talk di
Vito)
•Elaborazione delle simulazioni ->(Talk di Vito)
•Test beam all’SPS in Ottobre per testare l’uso del LKr
come veto per fotoni. -> next slides
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
9
Metodo (1)
Pe=25GeV/c
e+
e-
Protoni su bersaglio
producono p0 gg
g convertono in
coppie e+ee+ deflessi
DPe /Pe~0.2%
F. Ambrosino
e- transportati
lungo la linea di
fascio di NA48
Un magnete alla
fine della linea di
fascio li deflette
entro l’accettanza
del rivelatore
Riunione Gruppo I 21/12/2006
e- entra
nell’accettanza
del detector
10
Metodo (2)
Kevlar
window
Magnet
Photon beam
g
e-
Electron beam
(25 GeV/c)
vacuum
Bremsstrahlung
He
Calorimeter
Drift
chambers
Hodoscope
Gli e- interagiscono con la finestra di Kevlar, la DCH, ed He (~1.4% X0)
producendo fotoni per bremsstrahlung
Gli elettroni curvano nel magnete e colpiscono il LKr
I fotoni colpiscono il LKr “lontano” dagli eNoto l’impulso del fascio, e, we misurato l’impulso dell’ e- dopo il
bremsstrahlung, possiamo predire posizione ed energia del fotone nel
F.
Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
11
LKr
Un po’ di grafici…
Electrons
25 GeV/c
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
12
Attività 2007
•Tests su fascio fotoni tagged alla BTF (Marzo)->scelta
tecnologia veti e design finale
•Lungo Run (120 giorni) per test di rivelatori (RICH e
non solo) e per misurare con precisione il rapporto
Ke2/Kmu2
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
13
Motivazione fisica
K± → e±ν (BR = 1.5 × 10-5)
K± → μ±ν (BR = 63%)
( K  e  )
RK 
( K   m  )


La cancellazione delle incertezze adroniche (fK)
permette un classico test della struttura V-A e della
universalità leptonica.
Standard Model:
RK(SM) = (2.472 ± 0.001) x 10-5
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
14
Motivazione fisica (2)
Masiero, Paradisi, Petronzio
Phys. Rev. D74 (2006) 011701:
“Variations of the order of 1% with respect to RK(SM)
may arise from lepton flavour violating contributions by
virtual SUSY particles (charged H exchange).
 Violation of μ–e universality
Effect of order 3.2% in large tan(β) regime consistent
with all present knowledge, stronger bound from K w.r. to
other meson and lepton decays”.
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
15
Lo stato sperimentale
404 events
534 events
112 events
World average (PDG): RK = (2.44 ± 0.11) x 10-5
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
16
Proposed run in 2007
 Long run: 120 days at 60% efficiency (includes scheduled SPS stops)
 75 GeV/c K± beam, Dp / p = 1.8 % (r.m.s.), 1.5 x 1012 protons per spill
 Use horizontal TRIM3 to deflect beams oppositely to MNP33
deflection (to keep beams into vacuum tube)
 Increased MNP33 pT kick (120 → 263 MeV/c)
 improved momentum and MX2 resolution
Expected SPS fixed-target cycle in 2007 with LNGS operation:
39.6 s cycle with one spill of 9.6 s flat-top / cycle
 ~ 1.6 x 105 useful spills in the proposed run
From simple scaling of the 2004 special run with saturated trigger
(96,000 per spill) expect ~150,000 good Ke2 events
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
17
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
18
Il giudizio dell’SPSC
•
•
The SPSC has endorsed the physics case very strongly
The SPSC has provided a list of technical questions on the
experimental technique
We have replied to the SPSC questions, providing
milestones for the planned developments
We have requested an official status to:
•
•
–
–
–
Grant access to CERN premises, computing and infrastructure to the
new collaborators
Secure funding from the National Funding Agencies
Attract new groups to the Collaboration. This need was felt in
particular during discussions with US groups
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
19
Il futuro della collaborazione
–
–
–
–
–
É evidente a tutti che la collaborazione è, allo stato
attuale, sottodimensionata
É verosimile che gli Americani NON verranno
Il CERN ha finanziato l’attività per il 2006 (18 FTE, 500
kCHF) anche se per il momento ci considera un R&D
L’INFN ci ha finanziato per circa metà di quanto
richiesto, ma comunque intorno ai 400k€ (per 30 FTE)
Il futuro della collaborazione dipenderà dalla capacità di
attrarre altri partner “forti” oltre a CERN e INFN…(chi
paga il RICH ????)
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
20
Il nome della cosa (1)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
GKC
KACE
KARD
KUTE
OKAPI
RAKE
ARKADE
K++
KARDINAL
KAOS
KOSMO
PINNACLE
KAPPUCCINO
KRONOS
KAPIDON
GRACE
F. Ambrosino
Grand Kaon Collaboration
KAons At CERN
KAon R&D (but also Kaon Rare Decay)
Kaon Unitarity Triangle Experiment
Observation of Kaon into Pion
RAre Kaon Experiment
A Rare KAon Decay Experiment
KAon Rare Decay IN-flight Analysis Laboratory
KAon Observatory on Symmetry
Kaon Observatory on Standard Model Observables
Pion Nu Nu Aiming Cern Located Experiment
K Rare Observation with Neutrinos On final State
Kaon to Pion Double Neutrino
(Holy) Grail at CERN
Riunione Gruppo I 21/12/2006
21
Il nome della cosa (2)
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
K2P
PAPRIKA
KARE
K2PINU
KPI2NU
HIKS
CHAKRA
DIVA
DIVAN
CHARAD
CHARDON
KOBRA
CRACK
FROCK
HIKUP
KOOL
F. Ambrosino
K-> pi + nothing
Precise APparatus for Rare In-flight KAon decays
KAon Rare Experiment (to care ?)
K to pi nu
K pi two nu
High Intensity Kaon Spectroscopy
CHArged Kaon RAre decays
Detector/Decays In VAcuum
DIVA + to Neutrinos (= Turkish State Council)
CHArged RAre Decays:
CHArged Rare Decay Observables with Neutrinos
Kaon OBservatory for RAre decays
Collect RAre decays of Charged Kaons
Factory for Rare decays Of Charged Kaons
High Intensity Kaon Upgraded Physics
Kaon Observatory + ??
Riunione Gruppo I 21/12/2006
22
Il nome della cosa (3)
•
Proposals (continued):
33. K
34. KDK Kaon Decays
35. IKEBANA
In-flight K Experiment Based on Anti-counter Neutrino Analysis
36. AIKIDO
Apparatus for Identified K In-flight Decay Observation
37. K-P&NGUIN
Kaon - Pion & Neutrinos Got Using Improved Na48 detector
38. PINK+ (PI and Neutrinos from K+)
Chiaramente il migliore !!!
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
23
Milestones 2006
•Realizzare un prototipo curvo alla KLOE
•Rendere operativi due prototipi esistenti del tipo
sandwich (uno realizzato a Protvino, l’altro a Fermilab,
entrambi in arrivo a Frascati)
•Elaborazione delle simulazioni
•Test beam sul fascio di fotoni taggati a BTF per validare
la scelta finale
•Scelta finale della tecnologia e del design entro fine
2006
•Test beam all’SPS in Giugno-Luglio per testare l’uso
del LKr come veto per fotoni.
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
24
_
K+→p+ nn : State
of the art
3 events from E949
ek,Dmd,sin(2b)
(All DF=2 processes)
Stopped K
~0.1 % acceptance
_
+
+
BR(K → p nn ) =
1.47+1.30-0.89 × 10-10
Compatible with SM within
errors
100 events, SM
hep-ex/0403036,
PRL93
(2004)
F. Ambrosino
Riunione Gruppo I 21/12/2006
100 events, E949 value
25
Background vincolato cinematicamente
Pion track hyp.
Decay
BR
Km2
0.634
p+p0
0.211
p+p+p(p0p0)
0.070
92% del background
F. Ambrosino
Definisce la regione di segnale
Riunione Gruppo I 21/12/2006
26
Cinematica
m
2
miss
 m + mp - 2( E K Ep - pK pp cos  K p )
2
K
2
Quantità misurate
Measured quantities
• Minimizzare le code della risoluzione ( ridurre MS !)
• Taglio su m2miss intorno a massa p0 e su m2miss >0
– per S/B 10/1 serve una risoluzione ~ 10-3 GeV2/c4
– Impulso del p: <1% a 30 GeV/c
• Misura ridondante dell’impulso del p con il tracker in vuoto
– Impulso del K:
0.3%
– K-p angle:
50-60 mrad
• beam tracker di alte prestazioni
• Fattori di reiezione ottenibili:
2·10-4 per K+ → p0 p+
5·10-6 per K+ → m+ n
27
Cinematica:
Gigatracker + Doppio Spettrometro
Tracking in vuoto
Gigatracker: pixels
Spettrometro: Straw tubes
Gigatracker:
4x10-3 X0 per stazione
misura diPK
misura di K
Spettrometro:
5x10-3 X0 per camera
due misure di Ptrack
misura di track
Risoluzione limitata dal
Multiple Scattering
Riunione Gruppo I 21/12/2006
28
Background non vincolato cinematicamente
Decay
BR
0.049
0.033
0.006
0.001
Ke3
Km3
Km2g
p+p0g
Ke4
Km4
Pion track hyp.
4 x 10-5
1 x 10-5
8% del background
F. Ambrosino
“Sporca” la regione di segnale
Riunione Gruppo I 21/12/2006
29
Reiezione dei muoni : MAMUD
Detector: Calorimetro a campionamento (m rejection)
+ Magnete (beam deflection)
Goal: m rejection inefficiency < 10-5
Sensibilità alle MIP
Distingue sciami adronici ed electromagnetici (segmentazione longitudinale)
Bending power: 5 Tm  fascio di 75 GeV/c deflesso di ~18 mrad
F. Ambrosino
30
Muon – Pion ID
Detector: RICH
Goal: Muon – Pion separation con 10-2 ineff. Su un ampio range di umpulsi
X0 più piccolo possibile (RICH davanti al LKr)
Delta_Theta muon/pion (rad)
Argon
D m / p (rad)
b~1 in 2 m Ar : ~22 pe
and c=23.7 mrad
0.1
0.1
b~1 in 15 m He : ~21 pe
and c=8.2 mrad
F. Ambrosino
0.01
0.01
Helium
0.001
0.001
0.0001
0.0001
0
5
5
1010
Riunione Gruppo I 21/12/2006
1515
2020
2525
Momentum (GeV/c)
30
30
Momentum (GeV/c)
35
35
31
4040
Reiezione dei fotoni
Detectors: Calorimetro Pb-Sci o Pb-Fibre (ANTI),
LKr, lead-scint sandwich (IRC, SAC)
Goal: reiezione di 10-8 sul p0 (per sopprimere p+p0)
Decadimenti con p0: (anti)correlazione energetica fra i gs’ da p0
Decadimenti radiativi (singolo fotone): ermeticità (0 – 50 mrad)
Energia dei fotoni da p0 in eventi p+p0
ANTI
0
LKr Eg > 1 GeV
1
F. Ambrosino
2
0
Eg (GeV)
1 2
3
IRC / SAC
Eg > 6 GeV
4 5 6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Eg (GeV)
Eg (GeV)
Riunione Gruppo I 21/12/2006
32