Upload
clayton-morin
View
43
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
ИСТРА +. Поиск тяжелого нейтрино в распаде K‾ → µ‾ ν γ на установке «ИСТРА+». ИФВЭ У -70 ( Протвино , Россия ). Вячеслав Дук , ИЯИ РАН коллаборация «ИСТРА+». План. Аномалия LSND/KARMEN/ MiniBooNE и стерильное нейтрино ν h Поиск ν h в распадах К-мезонов Установка «ИСТРА+» - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Поиск тяжелого нейтрино в распаде K‾→ µ‾ ν γ на установке «ИСТРА+»
Вячеслав Дук, ИЯИ РАН
коллаборация «ИСТРА+»
ИСТРА+
ИФВЭ У-70 (Протвино, Россия)
План
• Аномалия LSND/KARMEN/MiniBooNE и стерильное нейтрино νh
• Поиск νh в распадах К-мезонов• Установка «ИСТРА+»• Отбор событий для распада K‾→ µ‾ ν γ • Выделение сигнала• Ограничения на |Uµh|2
• Выводы
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 2
Мотивация
Статья С.Н.Гниненко (ИЯИ РАН)Resolution of puzzles of LSND, KARMEN and
MiniBooNE experiments Phys.Rev.D83:015015,2011. arXiv: 1009.5536
Следующие 8 слайдов взяты из доклада С.Н.Гниненко на митинге NA62 в ЦЕРНе
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 3
Нейтринные осцилляции: LSND
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 4
Нейтринные осцилляции: KARMEN
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 5
Нейтринные осцилляции: MiniBooNE
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 6
Нейтринные осцилляции: сводная таблица результатов
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 7
Возможное объяснение результатов экспериментов (С.Н.Гниненко, ИЯИ РАН)
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 8
Параметры новой частицы νh
• m > 40 MeV: отсутствие избытка событий в KARMEN (пороговый эффект)
• m < 80 MeV: для m > 80MeV рождение νh в LSND подавлено за счет фазового объема
• τ(νh) > 10-11 sec: из ограничений LEP: BR(Z→ννh) x BR(νh → ν γ) < 2.7 x 10-5
• τ(νh) < 10-9 sec: νh распадаются в пределах детектора MiniBooNE
• 10-3 < |Uμh|2 < 10-2 : из количества «избыточных» событий в MiniBooNE
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 9
Новая слабо взаимодействующая частица νh
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 10
Радиационный распад (>99%): νh →νγ
40 MeV < m (νh) < 80 MeV 10-3 < |Uμh|2 < 10-2
10-11 sec < τ(νh) < 10-9 sec
νh : ограничения из каонных/пионных распадов
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 11
Поиск νh в распадх К-мезонов
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 12
K→μνh : пик в Eμ (cms) фон от K→μνμ нет чувствительности к малым массам νh из-за разрешения
K→μνh , νh →ν γ: пик в Eμ (cms)сигнатура такая же, как для K→ µ ν γ Нет фона от K→μνμ
есть чувствительность к малым массам νh
Вершина вторичного распада
подходит для
«ИСТРА+»
Энергия мюона в 2-частичном распаде
Коллаборация «ИСТРА+»
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН
Институт физики высоких энергий, Протвино (ИФВЭ) Институт ядерных исследований РАН, Москва (ИЯИ РАН) Объединенный институт ядерных исследований, Дубна (ОИЯИ)
ИСТРА+
13
Установка «ИСТРА+»
C1-C4 – пороговые черенковские счетчики; S1-S5 – сцинтилляционные счетчики; PC1-PC3 – пропорциональные камеры; SP2 – вето-калориметор; SP1 – электромагнитный калориметр; DC – дрейфовые камеры; DT-дрейфовые трубки; MH – матричный сцинтилляционный годоскопсеминар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011
T0 = S1 . S2 . S3 . S4 . C0 . C1 . C2 . S5 (фактор подавления ~10)
T1=T0 . (∑SP1 > MIP)
В.A.Дук, ИЯИ РАН 14
p ~ 26 GeV/c, Δp/p ~ 1.5%, K‾ ~ 3%, I ~ 3*106 / 1.9sec
Установка ИСТРА+: пучковая часть
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011
T0=S1 . S2 . S3 . S4 . C0 . C1 . C2 . S5 (prescaled by a factor of ~10)
T1=T0 . (∑SP1 > MIP)
В.A.Дук, ИЯИ РАН 15
C1-C4 – пороговые черенковские счетчики; S1-S5 – сцинтилляционные счетчики; PC1-PC3 – пропорциональные камеры; SP2 – вето-калориметор; SP1 – электромагнитный калориметр; DC – дрейфовые камеры; DT-дрейфовые трубки; MH – матричный сцинтилляционный годоскоп
Установка ИСТРА+: распадный объем
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011
T0=S1 . S2 . S3 . S4 . C0 . C1 . C2 . S5 (prescaled by a factor of ~10)
T1=T0 . (∑SP1 > MIP)
В.A.Дук, ИЯИ РАН
vacuum
He
16
C1-C4 – пороговые черенковские счетчики; S1-S5 – сцинтилляционные счетчики; PC1-PC3 – пропорциональные камеры; SP2 – вето-калориметор; SP1 – электромагнитный калориметр; DC – дрейфовые камеры; DT-дрейфовые трубки; MH – матричный сцинтилляционный годоскоп
Установка ИСТРА+: магнитный спектрометр
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011
T0=S1 . S2 . S3 . S4 . C0 . C1 . C2 . S5 (prescaled by a factor of ~10)
T1=T0 . (∑SP1 > MIP)
В.A.Дук, ИЯИ РАН 17
C1-C4 – пороговые черенковские счетчики; S1-S5 – сцинтилляционные счетчики; PC1-PC3 – пропорциональные камеры; SP2 – вето-калориметор; SP1 – электромагнитный калориметр; DC – дрейфовые камеры; DT-дрейфовые трубки; MH – матричный сцинтилляционный годоскоп
Установка ИСТРА+: ECAL, HCAL
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011
T0=S1 . S2 . S3 . S4 . C0 . C1 . C2 . S5 (prescaled by a factor of ~10)
T1=T0 . (∑SP1 > MIP)
В.A.Дук, ИЯИ РАН 18
C1-C4 – пороговые черенковские счетчики; S1-S5 – сцинтилляционные счетчики; PC1-PC3 – пропорциональные камеры; SP2 – вето-калориметор; SP1 – электромагнитный калориметр; DC – дрейфовые камеры; DT-дрейфовые трубки; MH – матричный сцинтилляционный годоскоп
Реконструкция распада K→µνh (νh→νγ) : первичная и вторичная вершина распада
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 19
K
K
μ
μ
νμ
ν
γ
γνh
A
A
B
B
Pγ , вычисленный по точкам A, B
Pγ , вычисленный по точкам A, B:дополнительное «размытие» энергии
Eνh ~ 240 MeV , mνh ~ 40–80 MeV
Размытие небольшое
K→µνγ
K→µνh (νh→νγ)
K→µνh (νh→νγ): первичная и вторичная вершина распада
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 20
Zνh - ZK
(Zνh – ZK)/(ZECAL – ZK)
τ=10-11 sec τ=10-10 sec
τ=10-9 sec
τ=10-9 sec
τ=10-10 secτ=10-11 sec
dz, cm dz, cm dz, cm
K→µνh (νh→νγ): «размытие» Eγ в системе отсчета каона
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 21
τ=10-11 sec τ=10-10 sec τ=10-9 sec
dE, GeV dE, GeV dE, GeV
dE = Etrue - Emeasured
K→µνh (νh→νγ): кинематика в системе отсчета (СО) каона
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 22
νh ν
γ
μ
Eνh ~ 240 MeV , mνh ~ 40–80 MeV Eγ > 50 MeV
вершина распада каона
Pγ: СО каонаP*γ: СО νh
cos θμγ ~ (-1)
пик более острый для
малых mh
Отбор событий для распада K→µνh (νh→νγ):сигнатура K‾→ µ‾ νμ γ
• Треки (один первичный трек, один вторичный трек, ограничения на качество трека)
• Вeто (отсутствие сигналов выше порога)• Вершина распада (400 < z < 1600 cm, ограничения на
вероятность вершинного фита)• Идентификация частиц: Фотон: ливень в калориметре ECAL Mюон: 1) MIP в ECAL 2) сумма отсчетов ADC в HCAL < 200 3) относительное энерговыделение в последних трех слоях HCAL > 0.05
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 23
дифференциальная ширина распада K→µνµγ: общая формула
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011
Кинематические переменные:х = 2 * Eγ (cms) / Mk y = 2 * Eµ (cms) / Mk
3 основных вклада: IB – доминирующий SD±, INT± - наиболее интересные (→ Fv , FA)
В.A.Дук, ИЯИ РАН 24
x
y
Далитц-плот
K→µνγ: подавление фонов и наблюдение сигнала• Основные фоновые процессы:• K→ µ ν π0 (Kµ3) с одним потерянным фотоном от распада π0→γγ • K→ π π0 (Kπ2) с одним потерянным фотоном от π0→γγ и неправильной
идентификацией π • Наблюдение сигнала: M(µ ν γ)=√(Pµ+Pν+Pγ)2 где pν=pK-pµ-pγ ; Eν=|pν| M(µνγ) имеет пик на MK=0.494 GeV для сигналаПроцедура подавления фонов: ”сканирование” Далитц-
плота (y, x) и поиск пика в распределении по M(µνγ) семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 25
K→µνγ: Далитц-плот (y, x)
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011
сигнал (MC) Kµ3 (MC) Kπ2 (MC)X X X
YY Y
В.A.Дук, ИЯИ РАН 26
Основной фон:Kμ3 для больших xKπ2 для малых x
K→µνγ: выделение сигнала• Далитц-плот (y, x) разделяется на полосы по х с шириной Δx=0.05 (x-
полосы)• В х-полосах налагается оптимальное ограничение на y• В каждой х-полосе производится одновременный фит M(µ ν γ) , y и
cos θμγ
• Подробности в статье Phys.Lett.B 695 (2011) 59-66
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН
X
y
y
y
M (µ ν γ)
M (µ ν γ)
cos θµγ
cos θµγ
зеленый: K→µνγсиний: Kμ3красный: Kπ2
27
K→µνh (νh→νγ): подавление фонов и выделение сигнала• Основные фоны:• K→ µ ν γ (Kµ2γ)• K→ µ ν π0 (Kµ3)С потерянным фотоном от π0→γγ• K→ π π0 (Kπ2)С потерянным фотоном от π0→γγ и неправильной идентификацией
π как μ• наблюдение сигнала: пики в распределении по y и cos θμγ , где θμγ - угол между pµ и pγ iв системе отсчета каона. cosθμγ имеет пик на (-1) для сигналапроцедура подавления фонов: ”сканирование” Далитц-плота
(х, y) и поиск пика в распределении по cos θμγ семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 28
K→µνh (νh→νγ): Далитц-плот (y, x)
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011
Kµ2γ (MC)
Kµ3 (MC)
Kπ2 (MC)
X
XX
Y
Y
Y
В.A.Дук, ИЯИ РАН 29
сигнал (MC)X
Y
основной фон: Kπ2
K→µνh (νh→νγ): выделение сигнала
• Далитц-плот (y, x) делится на полосы по х с шириной Δx=0.05 (x-полосы)
• ограничение на y в х-полосах: 1 < y < 1.2• Одновременный фит y и cos θμγ в х-полосах
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН
7 x-полос отобрано для дальнейшего анализа в диапазоне:1 < y < 1.20.2 < x < 0.55
30
X
y
сигнал (MC)
Возможный сигнал νh в х-полосах; |Uµh|2=0.01, m=60 MeV, τ=10-10 sec
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН
полоса 2: 0.25 < x < 0.3
полоса 4: 0.35 < x < 0.4
полоса 7: 0.5 < x < 0.55
31
cos θµγ Y
cos θµγ Y
cos θµγ Y
фиолетовый: сигналзеленый: K→µνγсиний: Kμ3красный: Kπ2
пик острее для больших x
Возможный сигнал для разных масс νh ; |Uµh|2=0.01 , τ=10-10 sec
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 32
m=80 MeV m=60 MeV m=40 MeV
cos θµγ cos θµγ cos θµγ
пик более острый для
малых mh
Возможный сигнал для разных времен жизни νh ; |Uµh|2=0.01 , m=60 MeV
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН
τ=10-9 sec τ=10-10 sec τ=10-11 sec
33
cos θµγ cos θµγ cos θµγ
пик более острый для больших τh
Эффективность
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 34
τ=10-9 sec τ=10-10 sec
τ=10-11 sec
mνh, MeV mνh, MeV
mνh, MeV
K→µνh (νh→νγ): одновременный фит в х-полосах
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011
Одновременный фит cos θμγ и y более надежный
Формы распределений сигнала и фона взяты из MC
В.A.Дук, ИЯИ РАН
фиолетовый – signal, зеленый – Kμ2γ, синий – Kμ3, красный – Kπ2
0.3 < x < 0.35
0.5 < x < 0.55
35
cos θµγ
cos θµγY
Y
Вычисление |Uµh|2
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 36
Вычисление |Uµh|2
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 37
Вычисление |Uµh|2
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 38
синий: 1+(mh/mμ)2
красный: f(mh , mμ)
f(mh , mµ)
mνh, GeV
f = 1.1 – 1.5
2.12 · 107
Вычисление |Uµh|2
• |Uµh|2 вычисляется для каждой х-полосы
• Полученные величины |Uµh|2 усредняются
• Устанавливается верхний предел на|Uµh|2
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 39
Усреднение |Uµh|2 и установление U.L.
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 40
|Uµh|2 = (0.8 ± 1.2)*10-5
|Uµh|2 < 2.7*10-5 (95% C.L.)
m=80 MeV, τ=10-11 sec
|Uµh|2
X
|Uµh|2 для τ=10-11 sec
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 41
Синяя полоса : предсказание из данных LSND, KARMEN. MiniBoonE
Черная линия: ИСТРА+ @ 95% C.L.
mνh, MeVmνh, MeV
|Uµh|2 |Uµh|2
|Uµh|2 для τ=10-10 sec
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 42
mνh, MeV mνh, MeV
Черная линия: ИСТРА+ @ 95% C.L.
Синяя полоса : предсказание из данных LSND, KARMEN. MiniBoonE
|Uµh|2 |Uµh|2
|Uµh|2 для τ=10-9 sec
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 43
mνh, MeVmνh, MeV
Синяя полоса : предсказание из данных LSND, KARMEN. MiniBoonE
Черная линия: ИСТРА+ @ 95% C.L.
|Uµh|2 |Uµh|2
Систематическая ошибка: ограничение на x
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 44
усреднение |Uμh|2: добавление 8-й х-полосы в фит
τ=10-9 sec
mνh, MeV
τ=10-10 sec
mνh, MeV mνh, MeV
τ=10-11 sec
Систематическая ошибка: форма распределений MC
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 45
Усреднение |Uμh|2: масштабирование ошибок до χ2/ndf = 1
τ=10-10 sec
mνh, MeV
τ=10-11 sec
mνh, MeVmνh, MeV
τ=10-9 sec
Предварительные результаты
• |Uµh|2 < 1x10-4 (95% CL) для τ=10-9 sec• |Uµh|2 < 4x10-5 (95% CL) для τ=10-10 sec• |Uµh|2 < 4x10-5 (95% CL) для τ=10-11 sec• Детальное изучение систематики в
процессесеминар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 46
Выводы Тяжелое стерильное нейтрино νh со следующими свойствами объясняет
аномалии LSND/KARMEN/MiniBoone:
40 MeV < m(νh) < 80 MeV, 10-11 sec < τ(νh) < 10-9 sec, 10-3 < |Uμh|2 < 10-2
νh можно эффективно искать в распадах К-мезонов: K→µνh (νh→νγ)
Получены ограничения на |Uµh|2 из распада K‾→ µ‾ ν γ на установке «ИСТРА+»:
|Uµh|2 < 1x10-4 (95% CL) для τ=10-9 sec |Uµh|2 < 4x10-5 (95% CL) для τ=10-10 sec |Uµh|2 < 4x10-5 (95% CL) для τ=10-11 sec
Детальное изучение систематики в процессе
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 47
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 48
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Back-up: верхний предел с учетом систематической ошибки
семинар ОФВЭ ИЯИ, 11.07.2011 В.A.Дук, ИЯИ РАН 49