L’esperimento

NA48

E. Iacopini: Bologna 24 Marzo 2005E. Iacopini: Bologna 24 Marzo 2005

…Passato

Presente

Futuro …

’’0 0

0 0

( )

( )

( )

( )

RL

S

L

S

K

K

K

K

1 6Re( '/ )

NA48 detectorNA48 detector

Main detector components:

• Magnetic spectrometer (4 DCHs): redundancy redundancy high efficiency; high efficiency; ΔΔp/p = 1.0% + 0.044%*p [GeV/c]p/p = 1.0% + 0.044%*p [GeV/c]

• Hodoscope fast trigger;fast trigger; precise time measurement (150ps).precise time measurement (150ps). • Liquid Krypton EM calorimeter (LKr) High granularity, quasi-High granularity, quasi-homogeneous;homogeneous; ΔΔE/E = 3.2%/√E + 9%/E + 0.42% E/E = 3.2%/√E + 9%/E + 0.42% [GeV].[GeV].

• Hadron calorimeter, muon veto counters, photon vetoes.

Beam pipe

’’// Not in scale !Not in scale !

NA48: NA48: CP CP

violationviolation

4

0 0

εRe (14.7 2.2) 10

ε

( 5 di )LM K

R

KKe3e3 Charge Asymmetry Charge Asymmetry

L stat systδ (e) = (0.3317±0.0070 ±0.0072 )%

L

( ) ( )( )

( ) ( )L L

L L

K e K ee

K e K e

6

3

... 210 10

!e

basato su

decadimenti K osservati

NA48/1: HI KsNA48/1: HI Ks

rare decaysrare decays

55×10×1010 10 ppp @4.2 mrad, ppp @4.2 mrad, ≈ ≈ 40 kHz di flusso di K40 kHz di flusso di KSS

≈ ≈ 66×10×1010 10 KKS S decays ... decays ...

(>10(>10 times the world stat. times the world stat.))

× × 500500

CP

-Vio

lati

on

holy grail.. NA48/3

Vtd

VVudud V V**ubub +V +Vcdcd V V**

cbcb + V + Vtdtd V V**tbtb = 0 = 0

VV**ubub + V + Vtd td ≈≈ VV**

cbcb

Vud Vus Vub

Vcd Vcs Vcb

Vtd Vts Vtb

=

1-λ2/2 λ A λ3(ρ-ίη)

-λ 1- λ2/2 Aλ2

A λ3(1-ρ-ίη) -A λ2 1dove λ=sin(θCabibbo) ~ 0.220; A ~ ρ ~ η ~ 1

ed è la quantità immaginaria η che descrive la violazione di CP

V*ub

0LK e e

La La PT prevede che questo decadimento origini da tre diverse ampiezzePT prevede che questo decadimento origini da tre diverse ampiezze

02

0 * * 01 2

1

03 2

( )

( )

( )

A C

A CPV

PVdir K e

i

A C

nd K

e

e

PC K e e

e

2 12 22 3

24 4

| | 10 15.3

6.8 Im( 10 2.8 10)

( )

( I ( )) m

s

s t t

aA A BR

a

(CP (CP ≈ ≈ -1)-1) (CP ≈ +1)(CP ≈ +1)

Indirect CPVIndirect CPV ee++

ee--

0 2.8 9S 2.3BR(K π e e ) 5.8 (stat) 0.3(syst) 0.8(theor) 10

6 events found in the signal region with a background of 0.226 events found in the signal region with a background of 0.22+0.19+0.19-0.12-0.12

0 1.5 9S 1.2BR(K π μ μ ) 2.9 (stat) 0.2(syst) 10

NA48/1

0.260.21

0S

9 2

BR(K π

|

e e )

5.2 10

| 1.06 0.07s

sa

a

0.380.32 | | 1.55 0.05sa

i K carichii K carichi

Violazione diretta di CP in KViolazione diretta di CP in K33

|M(u,v)|2 ~ 1 + gu + kv2

Kinematic variablesKinematic variables

Lorentz-invariantsu = (s3-s0)/m

2;

v = (s2-s1)/m2;

si = (PK-Pi)2, i=1,2,3 (3=odd );

s0 = (s1+s2+s3)/3 = 1/3 M2 + m2

Centre of mass frame

u = 2mK∙(mK/3-Eodd)/m2;

v = 2mK∙(E1-E2)/m2.

Measured quantity Measured quantity sensitive tosensitive to

direct CP violation:direct CP violation:

Slope asymmetry:

Ag = (g+-g-)/(g++g-)≠0

BR(K±±+)=5.57%; BR(K±±00)=1.73%.““charged”charged” ““neutral”neutral”

NA48/2 NA48/2 experimental set-upexperimental set-up

1cm

50 100

10 cm

200 250 m

He tank+ spectrometer

Front-end achromat

• Momentum selection

Quadrupole quadruplet

• Focusing

Second achromat

• Cleaning• Beam spectrometer

~71011

ppp

K+

K

Beams coincide within ~1mm

all along 114m decay volume

focusing beamsfocusing beams

BM

z

magnet

vacuum tank

not to scale

K+

K

beam pipebeam pipe

PK spectra, 603 GeV/c

54 60 66

Dalitz plotDalitz plot

U

|V|

even pionin beam pipe

Data-taking 2003: 1.61x101.61x1099 events selected

odd pionin beam pipe

KK++

KK--

R = U(R = U(K+K+) / U() / U(K-K-))

= r (1+= r (1+gg··U)U)

AAgg measurement measurement (acceptance cancellation)

Physical asymmetriesPhysical asymmetries::

AASS → → slope of ratio U(slope of ratio U(KK+ + B+B+) / U() / U(KK- - B-B-))

AAJJ → → slope of ratio U(slope of ratio U(KK+ + B-B-) / U() / U(KK- - B+B+))

Z a

xis

(b

eam

dir

ect

ion)

Sale

ve

Jura

X axis

Top view of the setup

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 g = Ag 2g true asymmetry true asymmetry

AA±± = ( = (AA++ ++AA)/2 = ()/2 = (AASS--AAJJ)/2)/2

asymmetry induced by the experimental setupasymmetry induced by the experimental setup

Asymmetry vs. PAsymmetry vs. PKK (1 month ’03 data):

Statistical error of A : 2,7.10-4 Statistical error of Ag: 4.8*10-4

2/ndf 6/11

ASJ + offset = 0 ± 0.21*10-3

2/ndf 6.7/11

A = (0.13 ± 0.17)*10-3

K±±+-

PK, GeV/c PK, GeV/c

AS+offsetAJ+offset

A+

A-

(AS+AJ)/2 + offset

(A++A-)/2

AAgg =A =ASJSJ/2g =A/2g =ASJSJ * 2.304, essendo g = -0.217 * 2.304, essendo g = -0.217±0.007±0.007

Risultato preliminare: dati 2003 Risultato preliminare: dati 2003

Slope difference: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 …Stabilità del risultato …

0

10

20

30

40

-10

-20

-30

-40

g x10-4

0

20

40

60

80

-20

-40

-60

-80

g x10-4

+K

Predizione (CKM Workshop): BR(K+ → ) = 8.0 ± 1.1 × 10-11

Sono attesi miglioramenti nel calcolo NNLO : 7% 4 % error (Buras)

KK++→→++

220

411

2242

32

)(109.8

||||sin2

)()(

A

XXV

KBKB

lcctt

usW

eSD

• L’ elemento di matrice adronico può essere estratto dal ben misurato Ke3: K+→ 0 e+ • Non ci sono contributi “long distance” all’ampiezza

QCD NLOBuchalla,Buras 1999

KK++→→++ : Stato dell’arte: Stato dell’arte

BR(K+ → + ) = 1.47+1.30-0.89 × 10-10

•Twice the SM, but only based on 3 events (→2.4) …

hep-ex/0403036 PRL93 (2004)

Stopped K~0.1 % acceptance

AGS

Beam:Beam:

Present K12Present K12

(NA48/2)(NA48/2)New HI KNew HI K++

> 2006> 2006Factor Factor

wrt 2004wrt 2004

SPS protons per pulseSPS protons per pulse 1 x 101 x 101212 3 x 103 x 101212 3.03.0

Duty cycle Duty cycle (s./s.)(s./s.) 4.8 / 16.84.8 / 16.8 1.01.0

Solid angle Solid angle ((sterad)sterad) 0.400.40 1616 4040

Av. KAv. K++momentum <pmomentum <pKK> > (GeV/c)(GeV/c) 6060 7575 Total : 1.35Total : 1.35

Mom. band Mom. band RMS: RMS: ((p/p in %)p/p in %) 44 11 ~0.25~0.25

Area at KABESArea at KABES (cm (cm22)) 7.07.0 2020 2.82.8

Total beam per pulse (x 10Total beam per pulse (x 1077)) per Effective spill lengthper Effective spill length (MHz) (MHz)

/ … / cm/ … / cm2 2 (KABES) (MHz)(KABES) (MHz)

5.55.51818

2.52.5

250250800800

4040

~45 (~27)~45 (~27)~45 (~27)~45 (~27)

~16 (~10)~16 (~10)

Eff. running time / yr Eff. running time / yr (pulses) (pulses)

3.1 103.1 1055 3.1 * 103.1 * 1055 1.01.0

KK++ decays per year decays per year 1.0 101.0 101111 4 * 104 * 101212 4040

Possible new high-intensity K+ beam for ‘NA48/3’ (K+→)

Region IRegion I

Region IIRegion II

10 MHz Kaon decays

800 MHz(/K/p)

… But only the upstream detectors see the 800 MHz beam …

not in scale …not in scale …

Regione IRegione I Regione IIRegione II

P = [15- 35] P = [15- 35] GeV/cGeV/c

(2.78 (2.78 ± 0.02)± 0.02) × × 101022

(14.8 (14.8 ± 0.1)± 0.1) × × 101022

P = [10 - 40] P = [10 - 40] GeV/cGeV/c

(3.92 (3.92 ± 0.02)± 0.02) × × 101022

(21.7 (21.7 ± 0.1)± 0.1) × × 101022

2 2 20. 0.01 ( / )missm GeV c

16 events/year

80 events/year !!

But populated by3 body decays

4×1012 decays/year@ BR = 10-10

2 2 20.026 0.068 ( / )missm GeV c

KK++ momentum: (75.0 momentum: (75.0 ±± 0.8) GeV/c 0.8) GeV/c

KK++→ → ++ ( (BRBR≈≈ 8.0 × 10 8.0 × 10-11-11 ))

63 % 63 %

21 %21 %

6 %6 %

2 %2 %

3 % 3 %

5 %5 %

Soppressione:Soppressione:PID, kinematicsPID, kinematics

veto, kinematicsveto, kinematics

CHV, kinematicsCHV, kinematics

veto, kinematicsveto, kinematics

(called (called KK++33) ) veto, veto,

PIDPID

(called (called KK++e3e3) ) veto, E/P veto, E/P

ee

• Veti il più possibile ermetici e misure ridondanti sono una necessità assoluta !

… comunque, l’alta energia dei K li semplifica …

Veto cinem. acc.% bck.Veto cinem. acc.% bck. 5.105.10-6 -6 2.10 2.10-6 -6 30 8 (<1) 30 8 (<1) 3.103.10-7-7 2.10 2.10-5 -5 20 20 ~1~1 1010-6-6 2.10 2.10-5 -5 15 15 ~1~1 <10<10-8-8 2.10 2.10-5 -5 15 <<1 15 <<1 No problem <<1No problem <<1 se e/se e/ < 10 < 10-3-3 <<1 <<1

CEDAR CEDAR To tag positive kaon identification

GIGATRACKER GIGATRACKER To track secondary beam before it enters the decay region

ANTICOUNTERSANTICOUNTERS Photon vetoes surrounding the decay tank

Wire Chambers Wire Chambers Wire chambers to track the kaon decay products

RICHRICH Ring image Cerenkov, to help in disantangling muons from pions

CHOD CHOD Fast hodoscope to make a tight K- pi time coincidence

LKR LKR Forward photon veto and e.m. calorimeter

MAMUD MAMUD Hadron calorimeter, muon veto and sweeping magnet

SAC and CHVSAC and CHV Small angle photon and charged particle vetoes

The NA48 Liquid Krypton The NA48 Liquid Krypton Calorimeter Calorimeter

Must achieve inefficiency Must achieve inefficiency < 10< 10-5-5 to to detect photons above detect photons above 1 GeV 1 GeV

Advantages: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 DisadvantagesDisadvantages

0.5 X0 of passive material in front of active LKR

The cryogenic control system needs to be updated

2 21 2

22

m m

p

K/

( / )p GeV c

Cedar-W

Cedar-N

Cerenkov differential counter Highly parallel beam

No Beam pipe !!!No Beam pipe !!!

Four views Four views X,Y,U,VX,Y,U,V

per chamberper chamber

beambeam

Soluzione alla CKMSoluzione alla CKM

1mm Pb/5 mm scintillatore1mm Pb/5 mm scintillatore 15 corone circolari15 corone circolari Superficie totale vista dai fotoni: 27 m2Superficie totale vista dai fotoni: 27 m2 Superficie totale di Pb e Sci: 2222 m2Superficie totale di Pb e Sci: 2222 m2 Lunghezza delle fibre per la raccolta di Lunghezza delle fibre per la raccolta di

luce: 240 Kmluce: 240 Km 960 fototubi960 fototubi Montaggio tra due sezioni del tubo a Montaggio tra due sezioni del tubo a

vuotovuoto

GeometryGeometry

Specifications: Specifications: Momentum resolution to ~ 0.5 % Angular resolution ~ 10 rad Time resolution ~ 100 ps Minimal material budget Perform all of the above in

800 MHz hadron beam, 40 MHz / cm^2 Hybrid Detector: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 pixelTest of ALICE pixel in NA48/2 beam in NA48/2 beam

150 µm thick ALICE chip200 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 associazioniaccidentali fra il pione di decadimento ed il K che lo origina.

p io

n

NA48/3 COMPASS

p io

n

NA48/3 COMPASS

NIM 533A,74 (2004)NIM 533A,74 (2004)

4x2 moduli, con lettura a strips orizzontalie verticali

Assumendo strips 20x1200i canali di lettura sono60x4x2 = 480

≈ 0.15 X0Possibilità di self-trigger

2.4 m2.4 m

20052005 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 Potenziare la Collaborazione quanto

possibile Sottomettere la proposta al SPSC e alle

altre funding Agencies coinvolte

2006-20082006-2008 Costruzione, Installazione e test-beams

2009-20102009-2010 Data Taking

Siamo di fronte alla fortunata combinazione di Siamo di fronte alla fortunata combinazione di un caso di fisica importante,un caso di fisica importante, che può essere che può essere affrontato con un affrontato con un acceleratore già esistenteacceleratore già esistente, , usando le infrastrutture (i.e. civil engineering, usando le infrastrutture (i.e. civil engineering, hardware, …) di un hardware, …) di un esperimento in chiusura esperimento in chiusura

Vogliamo comunque Vogliamo comunque sottolineare che sottolineare che questa questa iniziativainiziativa NONNON è una mera è una mera continuazione di NA48, continuazione di NA48, bensì un NUOVO PROGETTO, bensì un NUOVO PROGETTO, che rinasce da quelle ceneri …che rinasce da quelle ceneri …

SPARESSPARES

V us dal K 0

e30

0 0

0

3032 5

0

128 | | ( )

dove (short distance correction)

(phase-space in

(0)

1.0

tegral)

232

0.1034 0.

da c

0

,

6

ui

00

| | (0) 0.2146 0.0016

K

EW K

EW

K

us eF K

Kus

V KG

fS I

S

I

M

V f

0 6

exp

usando dal modello chirale (p )

(Cirigliano, Neufeld, Pichl: EPJ C35, 53, 2004)

(0) 0.981 0.010

| | 0.2187 0.0016 0.0023 0.2187 0.0028

K

us th

f

V

BR(KBR(KLL →→33) = 0.1992) = 0.1992±0.0070…±0.0070…

V us dallo beta decay

mmmgfm

mmVG

e(uus)uss

d)(s

usF

e

0

0

;||3||2

31

60||

)(

... neutrone del odecadiment al simile molto è della beta odecadiment Il

21

213

522

0

0

V us dallo beta decay

0

4

42 51 0 03 0 1

da cui, usando la vi

I

1

l risultato preliminare del BR

(KTeV, con 1

ta media

76 event

ottenuto da NA48/1 (623

i, fornisce: 2 71 0

8 eventi), è

38 10

1

[

)

9

0

(2

.

-stat systBr(Ξ Σ e υ) ( . .

( .

. )

. )

0

-10 0

0 5 1exp

0.211 1 1 0.17

0.0300.025

0 0.09) 10 s] della , si ha

8 66 0 38 0 27 10

... e assumendo f (0) 1 e g / 1.32 0.

05

| | 0.214 0.006 (p

-

Ξ lifetime

stat syst

us

Ξ

Br(Ξ Σ e υ) ( . . . ) s

f

V

reliminary)

V us dal K+e3

0

0

Usando decadimenti del di "minimum bias" presi nel 2003, in 8 ore di run,

NA48/2 può dare un primo

La normalizz

risultato pr

azione è for

eliminare per il

nita dal decadimen

.

to

K

Br(K π e ν)

(

π

B

K

0

0 03 3

0 (5.14 0.02 0.06 )%

0 2113 0 0014 .

Gli eventi selezionati erano (praticamente senza fondo)

: 59 k; : 33 k; : 468 k; : 260 ke e

stat systBr(K π e ν)

r(K π π ) . . )

K K K π π K π π

1444444444444444 2

0

0

ed usando, secondo Cirigliano et al., (0) 1.002 0.010,

| | (0) 0.2245 0.0013 (prelim.)K

Kus

f

V f

444444444444444444444444444444444444444444444344

in accordo con lo S 0 2274 0M inconsistente con PDG2002

si ha inf

, ma

ine

002 .

1 ..

| | 0.2241 0.0026 us

. .( )

V

V us da NA48/n

_ 2002| | 0.2196 0.0026us PDGV

Altri risultati …

L

L

(PDG 2004: 0.030 0.002) K form factor:

5.6M di eventi ricostruiti 0.0288 0.0005 0.0011

e nessuna evidenza di accoppiamenti scalari o tensoriali ..

K : ana

.

li

stat syst

e

e

* 0 *L 20 , 30 0.0120.011

5

L

0L

(

si model-independent, 19000 eventi:

Br(K )(0.960 0.

Br(K ) (

007)%Br(K )

5.21 0.07 0.09 ) 10

e E

stat sys

M V

t

ee

e

e

PDG 2004:5.18 0.29)

… e altri ancora …

Asymmetry vs. time Asymmetry vs. time (1 month ’03 data): preliminary

2/ndf 5.6/12

2/ndf 13.5/12AS+offsetAJ+offset

A+

A-

(AS+AJ)/2 + offset

(A++A-)/2

Day-sample pair Day-sample pair

Day-sample pairDay-sample pair

K±±+-

… Alcune definizioni …

dove u = (S3 – S0) / M

e Si : (PK - Pi )2 = MK2 + M

2 - 2 MK E* ,

S0 = Si /3 = M→ u=(2Mk/3M

2)(MK - 3 E* )

K+ K-

u distributions for K+ e K-

( )(1 )

( )

( () )

K uN u

K u

Ug

K

U K

E391a@PS-KEKE391a@PS-KEK

•First dedicated experiment to search for KL→ •SES~ 3 10-10

•Based on pencil kaon beam and photon vetoesScheduled for ~100 days KEK PS beam in 2004 This is a Stage I project for further study at J-PARC

KOPIO@BNL KOPIO@BNL

Aim to collect 60 Aim to collect 60 KKLL→→

events with S/B~2 events with S/B~2 (Im (Im tt toto 15%) 15%) Measure as much as possibleMeasure as much as possible

Energy, Position and Angle for each photon

Work in the Kaon Center of Mass Work in the Kaon Center of Mass Micro-bunched AGS beam Use TOF to measure KL momentum

Start construction in ?Start construction in ?