Test dell`universalita` e-mu nei decadimenti K->l nu: misura del

Test dell’universalità e-m nei decadimenti
K± → l±n: misura del rapporto
RK = G(Ke2)/G(Km2) in NA62
Giuseppina Anzivino
Università di Perugia e INFN
Bologna 24 aprile 2008
Argomenti
 Breve storia di NA48/NA62
 Universalità e-m: premesse teoriche
 RK e fisica oltre il Modello Standard
 Situazione sperimentale
 NA48/2 – risultati dati 2003-2004
 NA62 - run dedicato nel 2007
 Stato dell’analisi
 Futuro: misura di K+→p+nn
 Conclusioni
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2
NA48
 Violazione diretta di CP nei
decadimenti dei K neutri
Re(e’/e) = (14.7 ± 2.2) x 10-4
 Misura del parametro |h+-|
NA48
NA48/1
 Decadimenti rari del KS
prima osservazione e misura del BR di
KS  p0e+e- e KS  p0m+m-
NA48/2
 Ricerca di violazione diretta di CP
nei decadimenti K±→ 3p
 misura delle lunghezze di scattering pp
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NA48  NA62
NA48/3  P326  NA62
NA62 fase I
dati 2003-2004
run dedicato 2007
NA62 fase II
proposta 2005
2008-2010 R&D
+ costruzione
2011 presa dati
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Test di precisione dell’universalità
leptonica attaverso la misura del rapporto


G K   e n e
RK 
G K   m n m


Misura del decadimento rarissimo,
processo FCNC e sensibile a NP
K +  p +nn
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Test di universalità leptonica
con NA48/2 e NA62
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Universalità leptonica
Decadimento puramente leptonico
W
ge
e
n

n

W
m
gm
nm

ne
g m / g e  1.001  0.004
Analogamente per
g / g m  0.999  0.003
Universalità valida anche per Z0  e+e-, m+m-, +Bologna, 24-4-08
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6
I mesoni K e p
I decadimenti leptonici dei mesoni pseudoscalari leggeri
K±→l±n
p±→l±n
MA
ideali per test di SM
e ricerca di nuova fisica
limitazioni dovute alle incertezze teoriche
(a livello del percento) in particolare incertezze
su quantità non perturbative, per esempio le
costanti di decadimento fp e fK
non direttamente utilizzabili per ottenere constraints su NP
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Il rapporto Rp,K
Tuttavia le incertezze adroniche si cancellano nei rapporti
Gp  e n e 
Rp 
Gp   m n m 




G K   e n e
RK 
G K   m n m


le predizioni dello Standard Model per Rp e RK
sono note con grande precisione
diventa possibile il confronto con i risultati
sperimentali precisi
La misura di Rp,K è il modo più promettente per rivelare effetti
di deviazione dalla universalità m-e in questi decadimenti
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RK nello Standard Model
SM
RK è soppresso per elicità a causa
della struttura V-A dell’accoppiamento
a corrente carica




2
G K  e ne
m  m  m 
5




RK 

1
+

R

2
.
477

0
.
001

10
QED
G K   m n m
mm  m  mm 
[V. Cirigliano and I Rosell, JHEP 0710:005 (2007)]


2
e
2
2
K
2
K
2
e
2
ChPT, O(e2p4)
include solo IB e non DE
Ke2 soppresso
a causa dell’elicità
δRK = -3.8%
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correzioni radiative
(Kl2g e fotoni virtuali)
DRK/RK ~ 0.04%
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Correzioni radiative
SD
IB
RK predetto dallo SM
 include l’Inner Bremsstrahlung (IB)
 non include la Direct Emission (DE)
(termine dipendente dalla struttura (SD)
trascurabile in Km2, grande in Ke2
gli esperimenti misurano
 Ke2(g)/Km2(g) inclusivo e sottraggono SD
effetti sull’accettanza
trattamento delle correzioni radiative importante
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RK oltre lo SM
In un articolo recente è stato mostrato che:
 effetti di SUSY (MSSM) possono modificare il valore di RK previsto
dallo SM a livello del percento (fino a 3% in alcune configurazioni)
 R-parity è la sorgente di nuova fisica da testare con RK
 questi contributi in SUSY derivano da effetti di LFV e non LFC
A. Masiero, P. Paradisi, R. Petronzio, hep-ph/0511289 PRD74 (2006)
Contributo dominante a RK di LFV dovuto
a SUSY deriva da scambio di Higgs carichi
Accoppiamenti effettivi di Yukawa LFV
g 2 m 3l
lH n  
D R tan 2 
2 MW

l  e, m
D31 è il termine LFV connesso alla soppressione di elicità del Ke2, D32 trasc.
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RK in SUSY
Il limite per LFV in Ke2 si converte in limite su D13=D13(mH±,tan)
RKLFV
4


m
 RKSM 1 +  4K
  mH 

 m2 
2
6

 D 31 tan  
2

 m

 e 
• Contributo da diagrammi con loop
• Contributi LFC sono soppressi
(~ (tanβ)2), termini LFV (~ (tanβ)6)
• Alti valori di tanβ -> RKLFV grande
Es.: se tanβ=40 e MH=500 GeV
RKLFV = RKSM (1 + 0.013)
K  golden modes per test di LFV
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Paragone con B±  ±n
B    n 
possibili transizioni via H±
 dipendenza da M (H±) e tan
(Isidori, Paradisi PLB 639(2006))
 LFV non richiesto  no D13
BR SUSY
BR SM
  m2
 1   2B
  M H 
 tan  

 1 + e tan  
0


2
2
e0 ~ 0.01)
Per valori di D31 non troppo piccoli
Sensitività a H± in Ke2/Km2
migliore rispetto a B  n
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Situazione sperimentale
Situazione sperimentale
prima dei risultati di
NA48/2 abbastanza scarsa
valore del PDG basato su
3 esperimenti degli anni ’70
effettuati con K a riposo
RK
PDG
 2.45  0.1110
5
RK / RK  4.5%
Errore sperimentale maggiore di due ordini
di grandezza rispetto alla incertezza teorica
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Misure di NA48/2
Dati 2003
1 mese di presa dati
trigger: 1 traccia + energia EM + cinematica
4K Ke2 candidati raccolti
sistematica non riducibile a causa della inefficienza di trigger ~ 15 %
Dati 2004
56 ore di presa dati
trigger lasco: 1 traccia + energia EM
4K Ke2 candidati raccolti
sistematica non riducibile a causa del fondo di Km2 nel sample di Ke2
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Il rivelatore di NA48
Componenti principali:
 Spettrometro magnetico (4 DCHs):
4 viste: ridondanza  efficienza
σ(p)/p 1.0% + 0.044% p [GeV/c]
 Odoscopio: trigger veloce e misura
precisa del tempo (150ps)
 Calorimetro e.m. a Liquid Krypton:
10 m3 (~22 t), 1.25 m (27 X0), 13212 celle
granularità 2x2 cm2, quasi omogeneo
σ(E)/E = 3.2%/√E + 9%/E + 0.42% [GeV]
 Calorimetro adronico, contatori di veto
e contatori di muoni
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Rivelatore
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Universalità leptonica - RK
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I fasci simultanei di K+/KDisegnato per la ricerca di violazione di CP nei decadimenti K±3p
Fasci di K+ e K- simultanei e quasi collineari di energia 60 GeV (K+/K- ~1.8)
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Strategia della misura
N ( K e 2 )  N BG ( K e 2 ) 1 Acc( K m 2 )  e TR ( K m 2 )  e PID ( K m 2 )
RK 
 
N ( K m 2 )  N BG ( K m 2 ) D Acc( K e 2 )  e TR ( K e 2 )  e PID ( K e 2 )
N(Kl2) = numero di eventi selezionati
NBG(Kl2) = numero eventi di fondo
Acc(Kl2) = accettanza geometrica
eTR(Kl2) = efficienza del trigger
ePID(Kl2 )= efficienza della selezione
D = downscaling del trigger
• Eventi Ke2 e Kμ2 raccolti contemporaneamente
rapporto indipendente dal flusso.
• Cancellazione di alcune sistematiche nel rapporto
• Il contributo dominante all’errore, la sottrazione
del fondo, dipende dalla statistica
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Selezione degli eventi
Cinematica simile per Ke2 e Km2  massimizzare i tagli comuni
Geometria
 topologia a 1 traccia
 15 < p < 50 GeV/c
 vertice nella regione di
decadimento
 accettanza geometrica
Km2
Particle ID (E/p)
 e (E/p > 0.95)
 m (E/p < 0.2)
Cinematica
 decadimento a 2 corpi Mmiss2 = (pK-pl)2
 -0.015 < Mmiss2 < 0.015
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Background/1
La sorgente principale di incertezza è legata alla sottrazione del fondo
Fondo dominate per Ke2 è dovuto al Km2
 Ke2 e Km2 cinematicamente
indistinguibili ad alto impulso
 Il m può subire, con una probabilità
di ~ 5x10-6, una perdita
catastrofica di energia nel LKr
E/p  1 simulando un elettrone
 questo fondo è misurato dai dati in
bin di impulso  14 %
 fondo da K±p0e±n ottenuto da MC
 fondo da K±p±p0 trascurabile per Km2
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dati
MC
run 2003-2004
pK = 60 GeV, pkick = 120 MeV/c
Universalità leptonica - RK
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Background/2
pt e ptrack sono legate da una relazione ellittica correlata alla mmiss2
2
miss
m
pt2
mK2
e   pK  pe   pK
pK
pe
Ke2 selezionati con taglio nella
regione fiduciale a 3 s dalla media
analogamente per Km2
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Risultati runs 2003 e 2004
• Dati 2003
sample finale (4670 ± 77stat) eventi Ke2
RK  2.416  0.043 0.024105
errore sistematico dominato dal trigger
• Dati 2004
sample finale (3407 ± 63stat ) eventi Ke2
RK  2.455  0.045  0.041105
errore sistematico dominato dalla sottrazione del fondo km2
DRK/RK ~ 2%


preliminari
5
KLOE: RK  2.55  0.05  0.05 10
~ 8K eventi nel 2007, precisione 2.7%, target ~ 1%
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[arXiv:0707.4623]
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Flavianet fit per RK
Il gruppo Flavianet ha eseguito un fit di RK, combinando i risultati del
PDG 2006 con i risultati preliminari di NA48/2 e di KLOE
RK  2.457  0.032105

2
/ndf  2.44 /3
 grande improvement wrt PDG  ora RK/RK ~ 1.3 %
 accordo perfetto con lo SM

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NA48/3  P326  NA62
NA48/2 poteva migliorare l’incertezza dal 2% allo 0.5%
con l’apparato esistente
Proposta presentata in febbraio 2007 al SPSC
e al Research Board
approvata
Nasce
NA62
fase I misura di RK e test di prototipi per la fase II
fase II misura del decadimento K+  p+nn
4 mesi di presa dati (escluso i periodi per i test)
Goal  raccogliere ~ 1  105 eventi Ke2
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Riduzione della sistematica
Sorgente principale  fondo da Km2
 Nuovo fascio e nuova configurazione dello spettrometro
 impulso del K: (60 ± 3) GeV/c  (75.0 ± 2.5) GeV/c
 Fascio di soli K+ usato per la maggior parte del run
fondo dell’alone del fascio ridotto da 20% a 1%
 Ottimizzazione della risoluzione in massa mancante
 Misura precisa del fondo di Km2 e della probabilità di misidentificazione dell’elettrone
 Trigger di minimum bias (come per il run 2004)
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Fondo Km2 - cinematica
p < 40 GeV/c
~ 43% eventi
Identificazione dei candidati Kl2 con
la cinematica Mmiss2 (assunzione me)
Mmiss2 (l) = (pK-pl)2
ottimizzazione della risoluzione
in massa mancante
pK  fasci a banda stretta
DpK/pK 2% vs 3% nel 03-04
pl  momentum kick del magnete
120 MeV/c  263 MeV/c
p/p = 0.47%+0.020p (p in GeV)
Fondo atteso da Km2 nella regione di analisi ~ 7%
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Fondo Km2 – E/p
p > 40 GeV/c
~ 57% eventi
identificazione dell’elettrone basata sull’energia nel LKr
0.95 < ELKr/ptr < 1.05
Ma
una frazione di muoni subisce una
perdita di energia “catastrofica” nel
calorimetro e.m.
mis-identified come elettroni
P(me) ~ 10-6, dipendente da p
(in accordo con la sezione d’urto
di bremmstrahlung)
Km2 costituiscono il fondo maggiore per gli eventi Ke2
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Misura P(me)
Misura diretta
Muro di piombo posizionato su parte dell’accettanza
(tra i due piani dell’odoscopio )
tracce che attraversano il muro + 1 MIP nell’odoscopio
sample di m puri
• Perdita del 18% in accettanza
• e sono fermati (passano solo i m)
• Si misura la distribuzione di
E/p per i m nel LKr
• Installato per 50% tempo di run
m
e
sample raccolti:
• spessore Pb(4.5 cm) + Fe (2.0 cm) 9X0
1) da Km2, durante la presa dati • larghezza 240 cm = diametro odoscopio
• altezza 18 cm = 3 contatori
2) con run speciali di soli m
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Trigger
Continui miglioramenti durante
la presa dati in modo da migliorare
la purezza del trigger Ke2:
1) introduzione della condizione sulla
molteplicità nelle camere a drift (1TRK)
2) ottimizzazione del downscaling
3) ottimizzazione dello steering dei fasci
4) smontaggio del muro di piombo
Condition
Trigger
Rates/SPS spill
Purity
Start-up
End-of-run
Start-up
End-of-run
Start-up
End-of-run
Ke2
Q1ELKr
Q1ELKr1TRK
0.23
0.54
0.610–5
1.310–5
Km2
Q1/50
Q11TRK/150
290
160
1.8%
1.8%
 trigger Km2 usato anche per monitorare il trigger Ke2
 vari trigger di controllo acquisiti
 inefficienze ~ 0.1%, misurate direttamente
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Dati raccolti
Presa dati: dal 23 giugno al 22 ottobre2007
112 K eventi selezionati, fondo < 10%, errore statistico ~ 0.3%
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Stategia di analisi
Analisi 2007  analoga 2003-2004
 candidati Ke2 e Km2 raccolti simultaneamente
 cancellazione di alcuni effetti sistematici
(p.e. parte della ricostruzione, efficienze
di trigger)
MC usato limitatamente: solo accettanza
geometrica
RK
 misurato in bin di impulso della traccia
 corretto per
 accettanza geometrica
 efficienza di trigger e
 efficienza di particle ID
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Universalità leptonica - RK
Express analysis:
~3% of the 2007 K+ sample
Ke2 candidates: Mmiss2(e)
Km2
background
Km2 candidates: Mmiss2(m)
Missing mass squared, (GeV/c2)2
32
Background/1
sample Ke2
Fondo principale
1) decadimento Km2: stimato (7.4 ± 0.2)% dalla misura di P(me)
2) alone del fascio: stimato (1.3 ± 0.1)% usando runs con il fascio senza K+
 Può essere ridotto con tagli più stretti sulla qualità del vertice
Altri fondi
P(me) from the m run
1) Ke2g(SD): stimato (0.7 ± 0.1)%
2) Ke3: stimato < 1%;
3) K+ p+p0 no evidence at 1% level
sample Km2
1) alone del fascio ~ 0.1%
2) K+ p+p0 < 0.5%
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p, GeV/c
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Background/2
Raw Ke2 candidates
Background subtracted
3 settimane di fascio per studi di sistematica  settembre 2008
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Risultati attesi
Precisione attesa su Ke2/Km2
 statistica ~ 0.3 %
 totale ~ 0.5 %
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Universalità leptonica - RK
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Sommario RK
 I decadimenti Kl2 forniscono un’ottima opportunità per
effettuare test di fisica oltre lo SM, in particolare RK
 Nell’ambito di SUSY, si aspetta LFV fino al 3%
 Presentati i risultati preliminari 2003 e 2004
 Presentato l’esperimento NA62, la presa dati e
lo stato attuale dell’analisi
 Errore statistico atteso ~ 0.3%, errore totale su RK ~ 0.5%
Questa misura
o troverà deviazione dal valore atteso dello SM
o fornirà dei limiti molto stringenti nei parametri di SUSY
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Universalità leptonica - RK
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Misura del BR(K+  p+nn)
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Universalità leptonica - RK
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NA62
CERN-SPSC-2005-013
SPSC-P-326
NA62
Birmingham, CERN, Dubna, Fairfax, Ferrara, Firenze,
Frascati, Mainz, Merced, Mosca, Napoli, Perugia, Pisa,
Protvino, Roma, Saclay, San Luis Potosi, Stanford, Sofia,
Triumf, Torino
Sviluppo temporale







Proposta presentata al SPSC del CERN in settembre 2005
R&D sostenuta dal Research Board del CERN in dicembre 2005
Costruzione dei prototipi e test beam 2007 al CERN e LNF
La fase di R&D sarà completata nel 2008 (tests in ottobre)
Costruzione, installazione e test nel 2008-2010
Inizio presa dati nel 2011
In attesa di approvazione formale definitiva……..
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Motivazioni di fisica
decadimenti K → pnn
KL→p0nn
K+→p+nn
KL→p0e+ eKL→p0m+ m-
golden modes
 test dello SM e del mixing dei quarks (unitarietà CKM)
 sondare effetti di NP
• Minimal Flavour Violation
• nuove sorgenti di rottura della simmetria di sapore (~TeV)
 processi FCNC che avvengono attraverso diagrammi a loop sensibili a Vtd
 Incertezze teoriche molto piccole: i contributi a corta distanza dominano, gli
elementi di matrice adronici possono essere estratti da quantità misurate (Ke3).
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Universalità leptonica - RK
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State-of-the-art
h
KL  p0nn
K+  p+nn
a
g

Vud V*ub + Vcd V*cb + Vtd V*tb = 0
r
Predizioni SM (incertezze dagli elementi della matrice CKM):
BR(K+p+nn)  (1.6×10-5)|Vcb|4[sh2+(rc-r)2]  (8.0 ± 1.1)×10-11
BR(KLp0nn)  (7.6×10-5)|Vcb|4h2
 (3.0 ± 0.6)×10-11
Misura esistente: BR(K+p+nn)
(E787/949 @BNL) (1.47 +1.30
) × 10-10 (3 eventi)
-0.89
 Misura recente: BR(KL0p0nn)
(E391a @ KEK) < 6.7 × 10-8 (90%CL)
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Universalità leptonica - RK
compatibile SM
40
Limiti attuali
Misura di E787/949
Limiti attuali nel piano r,h
100 events
Mean=SM
100 events
Mean=E787/949
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Universalità leptonica - RK
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Sensitività a K+p+nn
Dalle misure di E787/949 e di E391a
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NA62 – linee guida
~100 eventi K+ p+nn
Basso livello di fondo

 BR(SM) = 8×10-11
 Accettanza segnale 10%
 Decadimenti di K ~ 1013
 Cinematica



n

qKp
n
m2miss=(PKPp)2
impulso del K: tracciatore di fascio
impulso del p: Spettrometro

 Contatori di veto
 Identificazione di particelle
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
Tecnica del decadimento in volo del K
Fascio intenso di protoni dal SPS
K di alta energia (PK = 75 GeV/c)
Contatore Cerenkov per
identificazione del K (CEDAR)


Calorimetro per rivelare g/m
RICH (separazione p/m)
Spettrometro per eliminare le
particelle cariche
Universalità leptonica - RK
43
Cinematica e fondi
kinematically constrained
92% dei decadimenti del K
 definizione di una regione di segnale
 K+p+p0 determina la divisione in
due parti: Regione I e Regione II
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NOT kinematically constrained
8% dei decadimenti del K
 attraversa la regione di segnale
 reiezione basata su Veto e
particle ID
Universalità leptonica - RK
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Layout
p+
K+
n
~11 MHz of K+ decays
n
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Universalità leptonica - RK
45
I rivelatori
 CEDAR: Cherenkov differenziale per l’identificazione del K







positivo nel fascio (50MHz)
GIGATRACKER: Tracciamento del fascio (Si micropixel) a monte
della regione di decadimento (800 MHz)
CAMERE A STRAW: Spettrometro basato su 4 stazioni di camere
a tubi straw per tracciare i prodotti di
decadimento del K (~10 MHz)
RICH: Ring Image Cherenkov, per rivelare il pione proveniente dal
K positivo, distinguere muoni da pioni e per trigger veloce
LAV: Veto per fotoni a grandi angoli (vetro al piombo)
LKR: Veto per fotoni in avanti e calorimetro elettromagnetico
(calorimetro a LKr di NA48)
IRC/SAC: Veto per fotoni ad angoli piccoli e intermedi
MUD e sweeper: rivelatore per muoni (calorimetro adronico di
NA48 con ferro e piano di scintillatore per
trigger veloce) con magnete deflettore del fascio
non decaduto
Bologna, 24-4-08
Universalità leptonica - RK
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Conclusioni
 Test di universalità leptonica con Kl2
 Dati 2003-2004
 DRK/RK ~ 2%
 ottimizzazione della strategia sperimentale
 Dati 2007
 run dedicato, 4 mesi di presa dati
 precisione attesa ~ 0.5%
 analisi dei dati iniziata
 Misura del BR del decadimento K+ p+nn
 O(100) eventi in 2 anni di presa dati , fondo 10%, sensitivity ~ 10-12
 fase di R&D in completamento nel 2008, in attesa di approvazione…..
 analisi dei dati iniziata
Un programma molto ricco nell’immediato futuro
Stay tuned!!
Bologna, 24-4-08
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