Contributo alla Roadmap
INFN:
Nuove iniziative di fisica
dei K
M. Morandin in rappresentanza di
Working group sui K
e
Working group su altra Fisica e+e- a LNF
1 dicembre 2005
M. Morandin – Roadmap INFN
I Gruppi di lavoro


Gruppo di lavoro sui K
 E. Iacopini (Fi); A. Antonelli, F. Bossi (LNF), G. Isidori
(LNF); M. Morandin (Padova); F. Costantini (Pi), A. Di
Domenico (Roma)
Gruppo di lavoro su Fisica e+e- a LNF
 A.Polosa (Bari); M.Negrini (Ferrara); F.Anulli, D.Babusci,
S.Bianco, R.DeSangro, A.Fantoni(*), S.Giovannella,
V.Muccifora(*), S.Pacetti, G.Pancheri, G.Venanzoni
(Frascati); N.Brambilla, A.Vairo (Milano); F.Ambrosino
(Napoli); M.Passera (Padova); M.Radici (Pavia); C.Bini,
P.Gauzzi (Roma1); F.Nguyen, A.Passeri (Roma3)
(*) osservatori gruppo-3
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Sommario


perche’ ancora fisica con i K negli anni di LHC ?
 v. anche recente workshop al CERN (www.)
i programmi di interesse dell’ INFN:
 fisica con fasci di K ad alta intensita’ al CERN


fisica dei K con un collisore e+e- alla Phi


il progetto P326
la proposta di potenziamento del programma KLOE@Dafne
per ulteriore documentazione, v. siti dei gruppo di studio
per la roadmap INFN
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Fisica oltre lo S.M.
Modello Standard insoddiscafente oltre la scala
elettrodebole:


Leff
limite di bassa energia di una teoria piu’ fondamentale
nuovi gradi di liberta’ che compaiono al di la’ di una certa
soglia di energia Λ.
cn d
 Lgauge( i , Ai , )  LHiggs (i , i , Ai ;Y , )   d 4 On (i , i , Ai )
d 5 
LSM 
1 dicembre 2005
parte rinormaliz zabile della
Lagrangian a effettiva
la piu’ generale parametrizzazione
del contributo a bassa energia
dei nuovi gradi di liberta’
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Leff  LSM
cn d
  d 4 On (i , i , Ai )
d 5 
Oggi



abbiamo un eccellente conoscenza costanti di
accoppiamenti fra quark (CKM) dello S.M.
ci aspettiamo che LHC fissi la scala di energia dei nuovi
gradi di liberta’, mediante scoperta diretta
grande interesse riveste la investigazione della struttura di
flavor dei possibili nuovi gradi di liberta’, che e’ appena
iniziata:
 nel nuovo scenario si possono realizzare varie nuove
possibilita’ di rottura della simmetria di flavor
 
(
q

q


,
l
l , )
 i decadimenti rari FCNC
i
i
e il mixing dei mesoni K e B costituiscono gli osservabili
piu’ sensibili per i nuovi accoppiamenti che derivano da
tale rottura di simmetria
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Il contributo dei K
La fisica dei K presenta alcuni canali particolarmente
interessanti che:

sono soggetti ad una elevata soppressione nello SM
 nessun contributo tree level
 piccoli accoppiamenti (contributi loop con quark top
dominanti)
2 *
A( s  d ) FCNC  cSM

yt VtsVtd
 sd

c
new
16 2 M W2
2
possono essere predetti con grande precisione se il
contributo short-distance risulta dominante
 sia per quanto riguarda il valore di riferimento nello SM
 sia in funzione dei parametri che caratterizzano la nuova
fisica
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Ranking
Frazione
componente short
distance
Errore irriducibile
sull’ ampiezza s.d.
da misura di B.R.
B.R. totale nello
S.M.
K L   0
> 99 %
1%
3 x 10-11
K    
88 %
3%
8 x 10-11
K L   0e  e 
38 %
15%
3.5 x 10-11
KL   0   
28 %
Dalitz  10%
30%
Dalitz  15%
1.5 x 10-11
I primi due forniscono (con qualche analogia nel settore dei mesoni B)
gli osservabili teoricamente piu’ puliti a nostra disposizione
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Controllo errori teorici
Negli ultimi anni c’e’ stato un notevole progresso nel
calcolo dei B.R. previsti dallo S.M.
Esempi:

K L   0l l  analisi completa degli effetti e.m. long-distance

K     analisi al NNLO del contributo charm dominante
~ 31%
~ 66%
decomposizione
dell’ampiezza:
s top
W
d
(BR)NLO =  10 %
1 dicembre 2005

Z

s
charm
d Q1-6
Z
~ 3%


up
s
d Q1-

Z

6
(BR)NNLO =  6 %
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Buras, Gorbahn,
Haisch, Nierste '05
Che succede se LHC scopre nuova
fisica ?
Due sono i possibili scenari di base:
Minimal flavor violation (rottura
flavor originati dagli accoppiamenti
di Yukawa dello S.M.)



piccole deviazioni nei B.R.
previste rispetto allo S.M. (~ 1020%)
strette correlazioni fra effetti nei
decadimenti rari dei K e dei B
una misura precisa di uno dei
due canali
K  πνν
potrebbe costituire un
elemento essenziale per
confermare o sfavorire questo
scenario
1 dicembre 2005
Nuove sorgenti di rottura del
flavor



potenzialmente gli effetti
possono essere notevoli,
specialmente nei canali rari di
decadimento KL
correlazioni con i decadimenti
rari nei B non ovvie
in questo caso diventa
importante misurare tutti i
canali di decadimento rari
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
E se si scopre la supersimmetria ?


Low energy SUSY possono manifestare in modo naturale
nuove sorgenti di rottura della simmetria di flavor
La misure dei decadimenti rari con K sono particolarmente
sensibili agli accoppiamenti trilineari con up-squark
sL
c~
dL
AYtd
u~
(AY)*ts
 +

Z

+ box
seguono un paio di esempi che confrontano effetti sui B.R.
rispetto ad osservabili nella fisica del B
[G.Isidori, F.Mescia, P.Paradisi, C.Smith, S.Trine]:
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Esempio I
B(K+→ )
B(Bd → )
MBd
~ ) 25010 GeV
(m
c min
~)
(m
t min 50010 GeV
~ ) 1000 GeV
(m
q heav
tan(b) 2
A0  1 TeV
A13  l A0
A23  l A0
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Esempio II
B(K+→ )
B(Bd → )
~c)min = 25010 GeV
(m
MBd
~t)min = 50010 GeV
(m
B(Bd→ Xs ll)
~q)heavy = 1000 GeV
(m
tan(b) = 2
A0  1 TeV
A13  l A0
A23  l A0
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Proposta P326
Misura del BR di K+ π+νν con un fascio ad alta
energia non separato (p/K/π/e) ad alta energia




decadimenti in volo con K di energia ~ 75 GeV
accettanza ~ 17%
soppressione del fondo fino a
qK

livelli di oltre 1011 con:

 tagli cinematici
m2miss=(pKp)2
 veti
stessa sala sperimentale utilizza da NA48
Inutile sottolineare la difficolta` della misura

ma il gioco vale la candela !
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Lo stato dell’arte
hep-ex/0403036 PRL93 (2004)
Stopped K
~0.1 % acceptance
BR(K+ → π+νν) = 1.47+1.30-0.89 x 10-10
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Already
Available
Il fascio di P326
Beam:
SPS protons per pulse on T10
Duty cycle (s./s.)
Present K12
(NA48/2)
New HI K+
> 2006
Factor
wrt 2004
1 x 1012
3 x 1012
3.0
1.0
4.8 / 16.8
Solid angle (sterad)
 0.40
 16
40
Av. K+momentum <pK>
(GeV/c)
60
75
K+ ~ 1.5
Mom. band RMS: (p/p in %)
4
1
~0.25
 7.0
 14
 2.0
Total beam per pulse (x 107)
per Effective spill length MHz
MHz/cm2 (gigatracker)
5.5
18
2.5
250
800
60
~45 (~27)
~45 (~27)
~24(~15)
Eff. running time / yr (pulses)
3 x 105
3 x 105
1.0
1.0x1011
4.8x1012
 48
Area at Gigatracker (cm2)
K+ 1decays
per year
dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Reiezione dei fondi
92% del totale
8% del totale
Tagli cinematici definiscono due zone
di segnale
I veti costituiscono un ulteriore
1 dicembre 2005
Fondi sovrapposti parzialmente
al segnale
Soppressi con i veti
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Disposizione rivelatore
10 MHz Kaon
decays
+
5×10-7 mbar
K+
800 MHz
(/K/p)


Regione fiduciale: 60m
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Il fascio proposto per P326
Total
Region I
Region II
Signal
65
16
49
K++0
2.7±0.2
1.7±0.2
1.0±0.1
K2
1.2±0.3
1.1±0.3
<0.1
Ke4
2±2
negligible
2±2
K++ and other 3tracks bckg.
1±1
negligible
1±1
K2
1.3±0.4
negligible
1.3±0.4
K2
0.4±0.1
0.2±0.1
0.2±0.1
Ke3, K3 ,others
negligible


Total bkg
9±3
3.0±0.2
6±3
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
La sfida di P326
K+→ +   (BR≈ 8.0 × 10-11
)

0

00
0
0e
1 dicembre 2005
63 %
21 %
6%
2%
3%
5%
Veto
5.10-6
3.10-7
10-6
<10-8
cinem. acc.%
2.10-6
30
2.10-5
20
2.10-5
15
2.10-5
15
No problem
se e/p < 10-3
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
bck.
8 (<1)
~1
~1
<<1
<<1
<<1
I componenti piu’ critici

da validare con vigoroso programma di R&D gia’ iniziato:
 GigaTracker




Rivelatori di veto per fotoni


reiezione 10-4 - 10-5
Tracciatore con straw tubes

deve operare in regione ad alto vuoto

Odoscopi veloci

Rivelatore RICH CEDAR


1 dicembre 2005
rate ~ 1 GHz
risoluzione in momento σp/p ~ 0.4%
risoluzione temporale ~ 100 ps
foto-rivelatori veloci
risoluzione temporale < 100 ps
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Tempi e costi
Collaborazione:
CERN, Dubna, Ferrara, Florence, Frascati, Mainz, Merced, Moscow, Naples,
Perugia, Protvino, Pisa, Rome, Saclay, San Luis Potosi, Sofia, Turin
Costi
Tempi proposti:
2006
Tests sul fascio di NA48 (K12)
Totale stimato: 24 MChF
Richiesto all’INFN: 1/3  5.3 M€
2007-2008
Costruzione, installazione, commissioning rivelatore
Test nuovo fascio (2007)
2009-2010
Data Taking
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Opportunita’ e sfide
P326 sfrutta opportunita’ davvero uniche:


un acceleratore che e’ gia’ funzionante e puo’ produrre un fascio di
sufficiente intensita’
un programma sperimentale che puo’ sfruttare epserienza, rivelatori
esistenti ed infrastrutture di NA48
ma deve affrontare sfide non banali:


dimostrare con il programma di R&D in corso che si possono
raggiungere le prestazioni di progetto con un sufficiente margine
rafforzare la collaborazione in modo da poter garantire le necessarie
risorse umane e finanziarie
anche Il CERN dovra’ presto decidere:


se approvare il programma di R&D su fascio per il 2006
se finanziare i lavori di upgrade del fascio (inizio previsto: meta’ 2006);

1 dicembre 2005
SPSC ha dato recentemente parere favorevole….
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Ulteriore lavoro per la roadmap
Esplorazione dei possibili scenari per una estensione
del programma oltre P326 (decadimenti rari KL)

potrà trovare piena giustificazione solo dalle prestazioni e
dai risultati di P326, ma un programma di R&D potrebbe
partire già nei prossimi anni
 quale compatibilità con scenari di upgrade delle macchine
al CERN ?
 interazione con il working group su nuove macchine a
protoni di alta intensita’
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Oltre i golden channel
La fisica interessante dei K non si esaurisce con i
golden channels:

alcuni casi esemplificativi:
 test CPT


effetti di decoerenza fra gli stati entangled KS <-> KL




1 dicembre 2005
misure combinate di asimmetria in decadimenti di KS e KL in
canali semileptonici
previsti da teorie di Quantum Gravity
test teoria perturbativa chirale con decadimenti rari KS
segnali di nuova fisica in alcuni modelli BSM
confronto con previsione dello SM
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
KLOE a Dafne II
Anche se il progetto di KLOE e’ stato orientato ai
KLc’e’ altra fisica che KLOE puo’ fare quasi senza
competizione :
KS decays: 3x105 tagged KS prodotti / pb1
Purezza non ottenibile in macchine adroniche, alcuni
canali accessibili solo a KLOE
Quantum interferometry
KLOE ha raggiunto la piu’ elevata sensibilita’ in misure di
decoerenza
 decays: 4x104  mesons delivered / pb1
KLOE gia’ ora possiede il maggiore campione di mesoni

1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Dafne II
Il Laboratorio sta considerando l’opzione di una versione
migliorata di DAFNE da realizzare per la fine della decade:
Energy (cm) (GeV)
Peak luminosity > (cm-1sec-2)
Total integrated luminosity (fb-1)
Dafne
1.02
<2.5
1.4 x 1032
8 x 1032
1032
20
3
-> 2
Start time
~2011
KLOE potrebbe in alcuni anni raccogliere una statistica pari a
20 fb-1


x 10 rispetto a quanto si sta raccogliendo ora
il rivelatore potrebbe essere migliorato aumentando la
accettanza per i canali di interesse
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Obiettivi per studi con K a Dafne II
Canale
PDG
Goal (20 fb-1)
Interesse
K S    e 
σδs inf. a 10-3
test di CPT con confronto
asimmetrie semil. (δS ≠ δ L)
KS ,L      
miglioramenti
errori x ~ 4-5
violazioni di CPT, quantum
decoherence
K S     0
3.3+1.1-0.9 x 10-7
10% err. stat.
test di ChPT
K S  
2.78 ±0.06 ± 0.04
x 10-6
σB.R./B.R < 1%
test di ChPT
5.8 ± 3 x 10-9
5 eventi
determinazione contributo
CPV indiretto nell’analogo
decad. KL
< 1.2 x 10-7
(KLOE)
sensib. 5 x 10-9
decad. CPV
SM BR: 2 x 10-9
σR/R ~ 0.5%
nuova fisica in R = Γe2/ Γμ2
KS   e e
0  
KS    
0
0
0
K     , e
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Fisica ad alta energia
Misura di R tra soglia  e ~2.5 GeV: scan in √s e/o
ritorno radiativo

Correzioni adroniche a g-2 , running di a
Spettroscopia (mesoni vettori);
Fisica :

Pseudoscalari
0 ,  , ’

Scalari (s,…)
 ,  , KK
Fattori di Forma time-like:
[cfr. LOI specifica sviluppatasi in ambito CSN3]


Barioni:
Mesoni
n,p,,S
,K
Test CP + QM in e+e-   
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Attuale discrepanza g-2
Figure from Höcker ICHEP (04)
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Misura di R
1 dicembre 2005
Ritorno
radiativo
Scan
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Quanto pesa la regione E<2.5 GeV
Regione dominante:


per aμ
 √s < 1 GeV
per Δa(5)had
 √s > 1 GeV
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Prossimi passi
Nell’ambito della collaborazione KLOE e’ in
preparazione una proposta che comprende alcune
opzioni per l’upgrade del rivelatore:




nuovo rivelatore di vertice
migliore ricostruzione coordinata z con divisione di carica
riduzione del campo magnetico per ottimizzare accettanza
a basso momento
ridisegno della zona di interazione
Lettera di intenti dovrebbe essere sottomessa nella
primavera del 2006; dovrebbe prevedere:


upgrade Dafne e KLOE negli anni ~ 2008-2010
alcuni anni di run dal 2010 in poi
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Ulteriore lavoro per Roadmap
Un KLOE potenziato a Dafne2 permette varie misure
interessanti sia nel settore dei K alla phi che ad alta energia

per avere un quadro completo di giudizio mancano alcuni
elementi che cercheremo di raccogliere nelle prossime
settimane:




efficacia delle proposte di upgrade
costo dell’upgrade e compatibilita’ con la scala dei tempi
proposta
prospettive di ampliamento della collaborazione in Italia e a
livello internazionale (per ora interesse concentrato per lo piu’
in gruppi KLOE di area romana)
in collaborazione con il WG che si occupa della fisica non-K a
Dafne 2, formuleremo degli scenari condivisi

1 dicembre 2005
confronto con proposta CSN3 per i Fattori di Forma
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati
Conclusione
La sperimentazione con i K può fornire ancora
risultati di grande rilievo, anche per caratterizzare
nuova fisica che dovesse emergere da LHC.


in particolare il caso di P326 appare già ben delineato;
le prospettive costo/benefici di una Phi factory ad alta
luminosità verranno valutate in dettaglio nelle prossime
settimane
Entro gennaio, ritengo che il gruppo possa avere
completato il lavoro.
1 dicembre 2005
M. Morandin – Incontro Roadmap a Frascati