Ricerca di decadimenti nel bersaglio dell`esperimento OPERA

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
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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
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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)
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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
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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
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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 !!
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 = (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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