DSA MENU Qweak final

27
First Result from Q weak David S. Armstrong College of William & Mary MENU 2013 Rome, Italy Oct 2 2013

Transcript of DSA MENU Qweak final

Page 1: DSA MENU Qweak final

First  Result  from  Qweak  

David  S.  Armstrong  College  of  William  &  Mary  

MENU  2013      Rome,  Italy  Oct  2    2013  

Page 2: DSA MENU Qweak final

   Search  for  physics  Beyond  the  Standard  Model  

10/1/2013   MENU  2013   2  

•  Neutrino  mass  and  their  role  in  the  early  universe                        0νββ  decay,  θ13  ,  β  decay,…  •  Ma3er-­‐an5ma3er  asymmetry  in  the  present  universe        EDM,  DM,  LFV,  0νββ,  θ13  •  Unseen  Forces  of  the  Early  Universe                                                                          Weak  decays,  PVES,  gμ-­‐2,…  

           LHC  new  physics  signals  likely  will  need  addi3onal  indirect  evidence  to  pin                          down  their  nature  

•  Neutrons:  LifeJme,  P-­‐  &  T-­‐ViolaJng  Asymmetries  (LANSCE,  NIST,  SNS...)  •  Muons:  LifeJme,  Michel  parameters,  g-­‐2,  Mu2e  (PSI,  TRIUMF,  FNAL,  J-­‐PARC...)  •  PVES:  Low-­‐energy  weak  neutral  current  couplings,  precision  weak  mixing  angle  

     (SLAC,  Jefferson  Lab,  Mainz)     Atoms:  atomic  parity  violaJon  

             Ideal:  select  observables  that  are  zero,  or  significantly  suppressed,  in  Standard  Model    

           

-­‐    Received  Wisdom:  Standard  Model  is  incomplete,  and  is  low-­‐energy                          effecQve  theory  of  more  fundamental  physics    

-­‐     Low  energy  (Q2  <<M2)  precision  tests:                        complementary  to  high  energy  measurements  

Page 3: DSA MENU Qweak final

Qweak:  Proton’s  weak  charge    

3  

EM  Charge   Weak  Charge  

u   2/3  

d   -­‐1/3  

P  (uud)   +1  

N  (udd)   0   -­‐1  

“Accidental  suppression”  

sensiQvity  to  new  physics  

-­‐  Neutral  current  analog  of  electric  charge  

10/1/2013   MENU  2013  

Page 4: DSA MENU Qweak final

Parity-­‐violaQng  electron  sca[ering  

10/1/2013   MENU  2013   4  

APV ∝

G FQ2

4πα 2gA

e gVT + βgV

e gAT( ) ~ 10−4Q2 GeV2⎡⎣ ⎤⎦

2  

Electroweak  interference  

Page 5: DSA MENU Qweak final

Qweak:  Proton’s  weak  charge      

Use  four-­‐fermion  contact  interacQon  to  parameterize  the  effecQve  PV  electron-­‐quark  couplings  (mass  scale  and  coupling)  

Large  θ Small  θ

Erler,  Kurylov,  and  Ramsey-­‐Musolf,  PRD  68,  016006    2003  

A  4%  measurement  of  the  proton’s  weak  charge  would  probe  TeV  scale  new  physics  

New  physics:  

new  Z',  leptoquarks,  SUSY  ...  

For  electron-­‐quark  sca[ering:  

MENU  2013  10/1/2013  

Page 6: DSA MENU Qweak final

SM  

Qweak  kinemaQcs   Hadronic  term  extracted  from  fit  

ExtracQng  the  weak  charge  

6  

Hadron  structure  enters  here:  electromagneQc  and      electroweak  form  factors…  

Previous  experiments  (strange  form  factor  program:  SAMPLE,  HAPPEX,  G0,  PVA4  experiments  at  MIT/Bates,  JLab  and  MAMI)  explored  hadron  structure  more  directly;  allow  us  to  subtract  our  hadronic  contribuQon  

Reduced  asymmetry  more  convenient:  

10/1/2013   MENU  2013  

Page 7: DSA MENU Qweak final

PVES  challenges:  •  StaQsQcs  

–  High  rates  required  

•  High  polarizaQon,  current  

•  High  powered  targets  with  large  acceptance  

•  Low  noise  –  Electronics,  target  density  fluctuaQons  

–  Detector  resoluQon  

•  SystemaQcs  –  Helicity-­‐correlated  beam  parameters  

–  Backgrounds  (target  windows)  

–  Polarimetry  

–  Parity-­‐conserving  processes  

PVES  Challenges  

7  

Qweak’s  goal:    most  precise  (relaQve  and  absolute)  PVES  result  to  date.  

Parity  violaQng  asymmetry  

Uncertainty  

Difficulty  

10/1/2013   MENU  2013  

Page 8: DSA MENU Qweak final

MeeQng  PVES  Challenges  

8  10/1/2013   MENU  2013  

-­‐  Rapid  helicity  reversal  (960  Hz)  -­‐  180  μA  beam  current    (JLab  record)    -­‐  Small  sca[ering  angle:    toroidal  magnet,  large  acceptance  -­‐  GHz  detected  rates:  data  taking  in  integraQng  mode  -­‐   High  power  cryogenic  target  -­‐   Exquisite  control  of  helicity-­‐correlated  beam  parameters  -­‐   Two  independent  high-­‐precision  polarimeters  -­‐   RadiaQon  hard  detectors  -­‐   Low  noise  18-­‐bit  ADCs  -­‐   High  resoluQon  Beam  Current  monitors  

Page 9: DSA MENU Qweak final

The  Qweak  Apparatus  

9  

Main  detectors  8-­‐fold  symmetry  

Ver3cal  driA  chambers  (VDC)  

(rotate)  

Trigger  scin3llator  

Shield  wall  

Lintels    

QTOR    

Lead  collar    

Cleanup  collimators    

Target  

Tungsten  plug   Horizontal  driA  

chambers  (HDC)  (rotate)  

e- beam e- beam

Acceptance  defining  collimator    

QTOR    

MENU  2013  10/1/2013  

Page 10: DSA MENU Qweak final

35  cm,  2.5  kW  liquid  hydrogen  target  

World’s  highest  powered  cryotarget  

•  Temperature  ~20  K  •  Pressure:  30-­‐35  psia  

•  Beam  at  150  –  180uA  

Qweak  Target  

10  

Target  boiling  might  have  been  problemaQc!  

MD  LH2  Asymmetry  

10/1/2013   MENU  2013  

Page 11: DSA MENU Qweak final

35  cm,  2.5  kW  liquid  hydrogen  target  

World’s  highest  powered  cryotarget  

•  Temperature  ~20  K  •  Pressure:  30-­‐35  psia  

•  Beam  at  150  –  180uA  

Qweak  Target  

11  

LH2  staQsQcal  width  (per  quartet):  • CounQng  staQsQcs:    200  ppm  

• Main  detector  width:  92  ppm  

• BCM  width:    50  ppm  

• Target  noise/boiling:  37  ppm  

228  ppm  

Target  boiling  might  have  been  problemaQc!  

MD  LH2  Asymmetry  

10/1/2013   MENU  2013  

Page 12: DSA MENU Qweak final

•  Main  detectors  

Toroidal  magnet  focuses  elasQcally  sca[ered  electrons  onto  each  bar  –  8  Quartz  Cerenkov  bars    –  Azimuthal  symmetry  maximizes  rates  and  reduces  systemaQc  uncertainQes  

–  2  cm  lead  pre-­‐radiators  reduce  background  

Main  Detectors  

12  

SimulaQon  of  sca[ering  rate  MD  face  

Close  up  of  one  detector  in  situ  

Measured  

10/1/2013   MENU  2013  

Page 13: DSA MENU Qweak final

•     

13  

Correct  for  radiaQve  effects  in  target  with  Geant  4  simulaQons,  benchmarked  with  gas-­‐target  &  solid  target  studies  

SimulaQon  blue  

Data  red  

10/1/2013   MENU  2013  

KinemaQcs  (Q2)  determinaQon  

Page 14: DSA MENU Qweak final

Beam  Polarimetry  

PolarizaQon  is  our  largest  systemaQc  uncertainty  (goal:  1%)  This  is  a  challenging  goal;  so  we  built  a  second,  independent  measurement  device.  

14  

Møller  polarimeter  –  Precise,  but  invasive  –  Thin,  pure  iron  target  –  Brute  force  polarizaQon  –  Limited  to  low  current  

Compton  polarimeter  –  Installed  for  Q-­‐weak  –  Runs  conQnuously  at  high  currents  –  StaQsQcal  precision:  1%  per  hour  

We  detect  both  recoil  electron  and  photon.  

10/1/2013   MENU  2013  

Page 15: DSA MENU Qweak final

Beam  Polarimetry  

15  

Note  the  good  agreement  between  both  polarimeters  

Preliminary  Run  2  PolarizaQon  –  For  IllustraQve  Purposes  Only  

10/1/2013   MENU  2013  

Page 16: DSA MENU Qweak final

A                                                of  Auxiliary  Measurements  

16  10/1/2013   MENU  2013  

Qweak  has  data  (under  analysis)  on  a  variety  of  observables    of  potenQal  interest  for  Hadron  physics:  

•   Beam  normal  single-­‐spin  asymmetry*  for  elasQc  sca[ering  on  proton  •   Beam  normal  single-­‐spin  asymmetry  for  elasQc  sca[ering  on  27Al  •   PV  asymmetry  in  the    region.  •   Beam  normal  single-­‐spin  asymmetry  in  the            region.  •   Beam  normal  single-­‐spin  asymmetry  near  W=  2.5  GeV    •   Beam  normal  single-­‐spin  asymmetry  in  pion  photoproducQon  •   PV  asymmetry  in  inelasQc  region  near  W=2.5  GeV  (related  to          box  diagrams)    •   PV  asymmetry  for  elasQc/quasielasQc  from  27Al  •   PV  asymmetry  in  pion  photoproducQon    

     *:  aka    vector  analyzing  power    aka    transverse  asymmetry;            generated  by  imaginary  part  of  two-­‐photon  exchange  amplitude              (pace  Wim  van  Oers)  

N → Δ

N → Δ

γZ

Page 17: DSA MENU Qweak final

Q-­‐weak  ran  from  Fall  2010  –  May  2012      :      four  disQnct  running  periods  •  Hardware  checkout  (Fall  2010-­‐January  2011)  •  Run  0  (Jan-­‐Feb  2011)  •  Run  1  (Feb  –  May  2011)  

•  Run  2  (Nov  2011  –  May  2012)  

First  result  

17  

We  have  completed  and  unblinded  the  analysis  of  “Run  0”                                            (about  1/25th  of  our  total  dataset).    

10/1/2013   MENU  2013  

arXiv:1307:5275                accepted  in  PRL,  to  appear  online  Oct.  13  

Page 18: DSA MENU Qweak final

Reduced  Asymmetry  

Hadronic  part      extracted  through  global  fit  of  PVES  data.  

18  

in  the  forward-­‐angle  limit  (θ=0)  

MENU  2013  10/1/2013  

V

V

V

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Q

Q

Q

Q

X�����This ExperimentQ����HAPPEX����SAMPLEV���PVA4O���G0�������SM (prediction)

X

Data Rotated to the Forward-Angle Limit

[GeV/c]Q 22

ç

ç

W�A

/A��α�Q���Ϊ������B

(�����,e

= 0

)p

0Q

2Q

2

ep

MENU  2013  

Page 19: DSA MENU Qweak final

Reduced  Asymmetry  

Hadronic  part      extracted  through  global  fit  of  PVES  data.  

19  

in  the  forward-­‐angle  limit  (θ=0)  

MENU  2013  10/1/2013  

V

V

V

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Q

Q

Q

Q

X�����This ExperimentQ����HAPPEX����SAMPLEV���PVA4O���G0�������SM (prediction)

X

Data Rotated to the Forward-Angle Limit

[GeV/c]Q 22

ç

ç

W�A

/A��α�Q���Ϊ������B

(�����,e

= 0

)p

0Q

2Q

2

ep

MENU  2013  

Page 20: DSA MENU Qweak final

The  C1q  &  the  neutron’s  weak  charge  

20  MENU  2013  10/1/2013  

0.22

0.24

-0.70 -0.65 -0.60 -0.55 -0.50 -0.45 -0.40

0.18 0.17

0.16

0.15

0.14 0.13

0.12

C1u < C1d

C1u

+ C

1d

sin e |2

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0.20

0.26

133Cs APV PVES

Inner Ellipses - 68% CLOuter Ellipses - 95% CL

ZW

Page 21: DSA MENU Qweak final

The  C1q  &  the  neutron’s  weak  charge  

21  MENU  2013  10/1/2013  

0.22

0.24

-0.70 -0.65 -0.60 -0.55 -0.50 -0.45 -0.40

0.18 0.17

0.16

0.15

0.14 0.13

0.12

C1u < C1d

C1u

+ C

1d

sin e |2

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0.20

0.26

133Cs APV PVES

Inner Ellipses - 68% CLOuter Ellipses - 95% CL

ZW

Combining  this  result  with  the  most  precise  atomic  parity  violaQon  experiment  we  can  also  extract,  for  the  first  Qme,  the  neutron’s  weak  charge:  

Page 22: DSA MENU Qweak final

Weak  mixing  angle  result  

* Uses  electroweak  radiaQve  correcQons  from          Erler,  Kurylov,  Ramsey-­‐Musolf,  PRD  68,  016006  (2003)    

22  MENU  2013  10/1/2013  

Recall:  in  Standard  Model,  at  tree-­‐level,      =            =  (1  -­‐  4sin2θW)  

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

0.225

0.227

0.229

0.231

0.233

0.235

0.237

0.239

0.241

0.243

0.245

0.225

0.227

0.229

0.231

0.233

0.235

0.237

0.239

0.241

0.243

0.245

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

sin2 θ

w (Q

)

Q (GeV)

Erler MSbar

This Result

Published

Ongoing

NuTeV

LEP

SLD

Tevatron

QW(Cs) APV

QW(e) E158

QW(p) JLab (estimated final uncertainty)

QW(p) JLab (4% of Qweak data

+ PVES)

Page 23: DSA MENU Qweak final

“Teaser”  

23  10/1/2013  

Page 24: DSA MENU Qweak final

“Teaser”  

24  10/1/2013  

An5cipated  precision  of  full  data  set  

Page 25: DSA MENU Qweak final

Summary  

25  10/1/2013   MENU  2013  

First  result      (4%  of  data  set):  

Lots  of  work  to  push  down  systemaQc  errors,  but  no  show-­‐stoppers  found….  

Expect  final  result  in  12-­‐18  months  Qme.  

Grazie    to  MENU-­‐2013  organizers  for  the  chance  to  give  this  talk!  

     Thanks  to  my  Qweak  collaborators,    from  whom  many  slides  borrowed…  

Page 26: DSA MENU Qweak final

10/2/2013   MENU  2013   26  

Page 27: DSA MENU Qweak final

Qweak  CollaboraQon  

27  

D.S. Armstrong, A. Asaturyan, T. Averett, J. Balewski, J. Beaufait, R.S. Beminiwattha, J. Benesch, F. Benmokhtar, J. Birchall, R.D. Carlini1, J.C. Cornejo, S. Covrig, M.M. Dalton, C.A. Davis, W. Deconinck, J. Diefenbach, K. Dow, J.F. Dowd, J.A. Dunne, D. Dutta, W.S. Duvall, M. Elaasar, W.R. Falk, J.M. Finn1, T. Forest, D. Gaskell, M.T.W. Gericke, J. Grames, V.M. Gray, K. Grimm, F. Guo, J.R. Hoskins, K. Johnston, D. Jones, M. Jones, R. Jones, M. Kargiantoulakis, P.M. King, E. Korkmaz, S. Kowalski1, J. Leacock, J. Leckey, A.R. Lee, J.H. Lee, L. Lee, S. MacEwan, D. Mack, J.A. Magee, R. Mahurin, J. Mammei, J. Martin, M.J. McHugh, D. Meekins, J. Mei, R. Michaels, A. Micherdzinska, K.E. Myers, A. Mkrtchyan, H. Mkrtchyan, A. Narayan, L.Z. Ndukum, V. Nelyubin, Nuruzzaman, W.T.H van Oers, A.K. Opper, S.A. Page1, J. Pan, K. Paschke, S.K. Phillips, M.L. Pitt, M. Poelker, J.F. Rajotte, W.D. Ramsay, J. Roche, B. Sawatzky,T. Seva, M.H. Shabestari, R. Silwal, N. Simicevic, G.R. Smith2, P. Solvignon, D.T. Spayde, A. Subedi, R. Subedi, R. Suleiman, V. Tadevosyan, W.A. Tobias, V. Tvaskis, B. Waidyawansa, P. Wang, S.P. Wells, S.A. Wood, S. Yang, R.D. Young, S. Zhamkochyan

1Spokespersons 2Project Manager Grad Students