XCVI Congresso Nazionale
Società Italiana di Fisica
Bologna, 20-24 Settembre, 2010
Ricerca di decadimenti
nel bersaglio dell’esperimento OPERA
Alessandra Pastore
Università di Bari e INFN
Sept 22, 2010
A. Pastore, SIF 2010
1
Outline
• Il progetto CNGS e l’esperimento OPERA
• interazioni di neutrino nel bersaglio
• ricerca di decadimenti in emulsione
• conclusioni
Sept 22, 2010
A. Pastore, SIF 2010
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Il progetto CERN Neutrinos to Gran Sasso
Fascio di neutrini
CNGS
• il goal è quello di provare senza ambiguità il canale di
oscillazione nel settore atmosferico
• ottimizzato per l’apparizione del a LNGS
Oscillation Project with Emulsion
tRacking Apparatus (CNGS1):
• esperimento ibrido a lunga base (LBL)
• fascio CNGS di ~ puri νμ
• rivelatore situato a LNGS (hall C, <L>=732 km)
• segnale di apparizione νμ → ντ
Sept 22, 2010
A. Pastore, SIF 2010
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Ricerca di oscillazione in OPERA
- + X
h- n(
e- e
(17 %)
(50 %)
(18 %)
n (14 %)
.6
~0
mm
topologie a
“kink”
osservazione del decadimento del occorrono grande massa ed
elevata risoluzione spaziale
@ 4.5·1019 p.o.t./anno, 200 giorni/anno
per OPERA (~1.25 Kton) :
~ 4700 CC+NC / anno
_
~ 30 e + e CC / anno
~ 25 CC / anno
(m2 = 2.5 x 10-3 eV2)
@22.5 1019 pot
e
h
3h
total
signal
2.9
3.5
3.1
0.9
10.4
0.17
0.17
0.24
0.17
0.75
(m2=2.5 10-3 eV2)
bkgd
interazioni di neutrino attese
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A. Pastore, SIF 2010
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OPERA: la soluzione “ibrida”
OPERA: emulsioni nucleari + detector elettronici
57 film di emulsione
intervallati da fogli di Pb spessi
1mm
brick:
1 film di emulsione nucleare: 2 strati di
emulsione (44 m) stesi su un supporto
plastico spesso 200 m
1 mm
CS
8.3 Kg
(10.2*12.5)cm2
Pb
strati di emulsione
1 doppietto di Changeable Sheet
(CS)/brick:
2 film di emulsione ‘rinfrescati’,
impacchettati sotto vuoto e collocati
sulla faccia inferiore di ogni brick
~ 150000 bricks nel bersaglio di OPERA (~ 1.25 kton)
la fisica in un brick:
ricostruzione di interazioni di e topologie di decadimento
misure di impulso tramite MCS
e ID
calorimetria elettromagnetica
l’importanza dei rivelatori elettronici:
Sept 22, 2010
trigger per interazioni di neutrino
ID e misure di carica e impulso
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Il rivelatore di OPERA @LNGS
[~3100 m.w.e. overburden, ~1 cosmic μ / m2 x hour]
SM1
SM2
Veto (RPC)
Target + Target Tracker (6.7m)2
High precision tracker
● 6 4-fold layers of
drift tubes
Dipole magnet
● 1.53 T
● 22 XY planes of RPC
muon spectrometer (8×10 m2)
[Ref.
JINST
(2009) P04018]
Sept
22, 42010
● target/SM: ~75000 bricks
(Pb – nuclear emulsions)
Mass/SM 0.625 kt
● Target tracker : 31 doublets XY
(256 plastic scintillator strip + WLS
fibres+ multi-anodes PMT) for trigger,
A. Pastore, SIF 2010 brick selection and calorimetry
6
[2009 JINST 4 P04018]
Interazioni di : localizzazione à la OPERA
• analisi on-line dei dati provenienti dai rivelatori
elettronici
7
[2009 JINST 4 P04018]
Interazioni di : localizzazione à la OPERA
• analisi on-line dei dati provenienti dai rivelatori
elettronici
• applicazione dell’algoritmo di brick finding
agli eventi ‘on time’ con il fascio
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[2009 JINST 4 P04018]
Interazioni di : localizzazione à la OPERA
• analisi on-line dei dati provenienti dai rivelatori
elettronici
• applicazione dell’algoritmo di brick finding
agli eventi ‘on time’ con il fascio
• rimozione del brick selezionato e misura dei
CS ( N. Di Marco)
9
[2009 JINST 4 P04018]
Interazioni di : localizzazione à la OPERA
• analisi on-line dei dati provenienti dai rivelatori
elettronici
• applicazione dell’algoritmo di brick finding
agli eventi ‘on time’ con il fascio
• rimozione del brick selezionato e misura dei
CS ( N. Di Marco)
• conferma del brick estratto
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[2009 JINST 4 P04018]
Interazioni di : localizzazione à la OPERA
• analisi on-line dei dati provenienti dai rivelatori
elettronici
• applicazione dell’algoritmo di brick finding
agli eventi ‘on time’ con il fascio
• rimozione del brick selezionato e misura dei
CS ( N. Di Marco)
• conferma del brick estratto
• sviluppo fotografico del brick e misura
delle emulsioni nucleari che lo compongono
presso un laboratorio di scanning per la
localizzazione dell’evento ( D. DiFerdinando)
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Interazioni di in emulsione
• Volume misurato in un brick : ~ 2 cm3
• allineamento dati realizzato con tracce di raggi cosmici
• tracce dapprima misurate nei singoli film di emulsione à la
OPERA e successivamente connesse in film consecutivi
• determinazione della posizione del vertice di interazione
con precisione micrometrica
Elevata precisione micrometrica
studio accurato della topologia
dell’evento in emulsione
misura accurata delle deflessioni
angolari delle tracce
Sept 22, 2010
A. Pastore, SIF 2010
~2 µm
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Interazioni di in emulsione
• Volume misurato in un brick : ~ 2 cm3
• allineamento dati realizzato con tracce di raggi cosmici
• tracce dapprima misurate nei singoli film di emulsione à la
OPERA e successivamente connesse in film consecutivi
• determinazione della posizione del vertice di interazione
con precisione micrometrica
Elevata precisione micrometrica
studio accurato della topologia
dell’evento in emulsione
misura accurata delle deflessioni
angolari delle tracce
= (22±4)%
~2 µm
stima di impulso tramite MCS
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A. Pastore, SIF 2010
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Interazioni di in emulsione
• Volume misurato in un brick : ~ 2 cm3
• allineamento dati realizzato con tracce di raggi cosmici
• tracce dapprima misurate nei singoli film di emulsione à la
OPERA e successivamente connesse in film consecutivi
• determinazione della posizione del vertice di interazione
con precisione micrometrica
Elevata precisione micrometrica
studio accurato della topologia
dell’evento in emulsione
misura accurata delle deflessioni
angolari delle tracce
Inoltre, possibilità di
~2 µm
identificazione coppie e+/e- e
tracce di evaporazione
Caratteristiche importanti nella definizione della topologia di una
interazione di neutrino nonché nella ricerca di eventuali decadimenti !!
Sept 22, 2010
= (22±4)%
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stima di impulso tramite MCS
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Ricerca di decadimenti:
possibili topologie
2 topologie di decadimento possibili per il :
- decadimenti lunghi: il candidato padre attraversa
almeno un film di emulsione e si nota un cambio di
direzione
- decadimenti corti: solo la traccia figlia è registrata in
emulsione e presenta un parametro di impatto non
nullo rispetto al vertice di interazione di neutrino
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Ricerca di decadimenti:
criteri di selezione
ricerca di decadimenti caratterizzata da due fasi:
1. selezione topologica attraverso una procedura dedicata (DECAY SEARCH)
2. selezione cinematica, con tagli ottimizzati a seconda della topologia di decadimento
in esame
- FASE I -
- procedura applicata sistematicamente a tutti gli eventi localizzati in emulsione
- ricerca effettuata in un volume di dati che include 10 piatti a valle rispetto al primario
di interazione
- si basa su:
- studio di parametro di impatto delle tracce al vertice primario
- rivelazione di possibili kink (per tracce attaccate al primario)
- ricerca di tracce nell’intorno del vertice primario (extra-tracks)
figlie di un eventuale decadimento
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figli di decadimenti corti16
figli/padre di decadimenti lunghi
procedura di decay search (I)
m
IP distribution for:
events (MC)
NC+CC events (MC),
IP distribution for
events (MC)
NC+CC events (Data)
expanded scale
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procedura di decay search (II)
Controllo sulle deviazioni angolari dei primi 4 segmenti
di ciascuna traccia attaccata al vertice primario
identificazione di possibili piccoli kink (kink > 15 mrad)
per ogni coppia di film di emulsione à la OPERA, il valore di viene confrontato con la
deviazione angolare media dovuta allo scattering multiplo coulombiano RMS kink
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procedura di decay search (III)
z : distanza tra il vertice primario ed il
segmento più a monte di una traccia
ricostruita nel volume misurato.
• ricerca di eventuali tracce figlie prodotte nel decadimento di una particella a vita breve
• criteri di selezione basati sulla valutazione di ip e z, ottimizzati tramite studi MC dedicati
e differenziati in base alla presenza o meno del
vertice di interazione di neutrino ricostruito nel
volume d’analisi.
- FASE II -
• la topologia del candidato decadimento è definita dalla fase I
• selezione cinematica che fa uso di tagli ottimizzati in base alla topologia di decadimento in esame
• grandezze fondamentali in esame sono il pt mancante e l’angolo al vertice primario,
l’impulso della particella figlia di decadimento, il pt mancante e l’angolo di kink al vertice
secondario
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Ricerca di decadimenti: una applicazione
Le topologie di decadimento del charm sono analoghe a quelle del :
i decadimenti di particelle charmate costituiscono per OPERA
un campione di riferimento per controllare le efficienze di rivelazione
c
Studio MonteCarlo sulla procedura di ricerca di decadimenti
applicata al caso del charm ( A. Di Crescenzo)
Pb
em
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eff. di ricostruzione
per ciascuna topologia
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Candidati charm nel bersaglio di OPERA
Sottoinsieme di eventi localizzati nell’analisi dei run 2008 + 2009:
30 candidati charm di cui 11 con topologia 1-prong kink
x-view
D0 hypothesis:
: 173.20,
4 mm
1ry
vertex
kink
daughter
1.3 mm
F.L.: 313.1 m,
1ry
invariant mass: 1.7 GeV
D0 hypothesis
charm candidate (dimuon)
flight length: 1330 microns
kink angle: 209 mrad
IP of daughter: 262 microns
daughter muon: 2.2 GeV/c
decay Pt: 0.46 GeV/c
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OPERA: il primo candidato interazione di (I)
• Il primario di interazione di neutrino consiste in 7 tracce.
• sottoposto alla procedura di ricerca di decadimenti: per una delle tracce figlie è stato
osservato un kink
• L’evento è stato studiato in ogni dettaglio e sottoposto alle selezioni del caso.
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OPERA: il primo candidato interazione di (II)
Applicazione della procedura di ricerca di decadimenti all’evento candidato di OPERA :
l’evento supera le selezioni topologiche previste dalla procedura.
Selezioni cinematiche applicate al caso di candidati kink adronici:
• kink entro 2 lastre di piombo a valle rispetto al vertice primario
• angolo di kink maggiore di 20 mrad
• impulso della particella figlia maggiore di 2 GeV/c
• Pt > 600 MeV/c (300 MeV/c se esiste almeno un gamma che punti al vertice
di interazione)
• Pt missing al vertice primario < 1 GeV/c
• angolo azimutale tra la direzione della traccia padre e quella dell’ impulso dell’adrone
risultante > /2 rad
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OPERA: il primo candidato ad interazione di (II)
VARIABLE
kink (mrad)
41 ± 2
decay length
(m)
1335 ± 35
P daughter
(GeV/c)
12
Pt decay
(MeV/c)
470
missing Pt
(MeV/c)
570
ϕ (deg)
+6
Le variabili cinematiche soddisfano
tutti i criteri di selezione per
kink adronici
(definiti nel proposal)
-3
+230
-120
Candidato a decadimento in singolo adrone carico!
+320
-170
173 ± 2
vertice secondario compatibile con
h n
Sept
22, 2010
A. Pastore,
2010
Con la
statistica
a disposizione** (m232 = 2.5
x10-3 eV2SIF
, full
mixing) OPERA attendeva
** al momento dell’osservazione
24di
~ 0.5 eventi
Conclusioni
- In OPERA e’ di fondamentale importanza la rivelazione di topologie di
decadimento di particelle a breve vita media.
- Una procedura e’ stata appositamente sviluppata ed applicata
sistematicamente a tutte le interazioni di neutrino localizzate. Questo ha
permesso di ricostruire, in un sottoinsieme di dati relativi ai run 2008-2009,
topologie interessanti come candidati decadimenti di particelle charmate in
accordo con le stime previste.
- Tra i vari eventi sottoposti alla procedura di ricerca di decadimenti, un evento
senza muone mostra una topologia di decadimento del leptone in singolo
adrone carico, superando tutti i tagli previsti.
E’ il primo evento candidato per OPERA, con significatività statistica
di 2.01 (tutti I canali di decadimento).
- Ottimizzazione della procedura di ricerca di decadimenti in corso, in vista del
prossimo candidato!
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A. Pastore, SIF 2010
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