Поиск тяжелого нейтрино в распаде K‾ → µ‾ ν γ на установке «ИСТРА+»

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


Нейтринные осцилляции: LSND


Нейтринные осцилляции: KARMEN


Нейтринные осцилляции: MiniBooNE


Нейтринные осцилляции: сводная таблица результатов


Возможное объяснение результатов экспериментов (С.Н.Гниненко, ИЯИ РАН)


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


Новая слабо взаимодействующая частица νh


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


Поиск νh в распадх К-мезонов


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)


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



T1=T0 . (∑SP1 > MIP)

В.A.Дук, ИЯИ РАН

vacuum

He

16


Установка ИСТРА+: магнитный спектрометр



T1=T0 . (∑SP1 > MIP)



Установка ИСТРА+: ECAL, HCAL



T1=T0 . (∑SP1 > MIP)



Реконструкция распада K→µνh (νh→νγ) : первичная и вторичная вершина распада


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


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


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


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


дифференциальная ширина распада K→µνµγ: общая формула


Кинематические переменные:х = 2 * Eγ (cms) / Mk y = 2 * Eµ (cms) / Mk

3 основных вклада: IB – доминирующий SD±, INT± - наиболее интересные (→ Fv , FA)


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)


сигнал (MC) Kµ3 (MC) Kπ2 (MC)X X X

YY Y


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


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)


Kµ2γ (MC)

Kµ3 (MC)

Kπ2 (MC)

X

XX

Y

Y

Y


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


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


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


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


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


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


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






синий: 1+(mh/mμ)2

красный: f(mh , mμ)

f(mh , mµ)

mνh, GeV

f = 1.1 – 1.5

2.12 · 107


• |Uµh|2 вычисляется для каждой х-полосы

• Полученные величины |Uµh|2 усредняются

• Устанавливается верхний предел на|Uµh|2


Усреднение |Uµh|2 и установление U.L.


|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


Синяя полоса : предсказание из данных LSND, KARMEN. MiniBoonE

Черная линия: ИСТРА+ @ 95% C.L.

mνh, MeVmνh, MeV

|Uµh|2 |Uµh|2



mνh, MeV mνh, MeV



|Uµh|2 |Uµh|2



mνh, MeVmνh, MeV



|Uµh|2 |Uµh|2

Систематическая ошибка: ограничение на x


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


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



СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Back-up: верхний предел с учетом систематической ошибки


Documents

Поиск тяжелого нейтрино в распаде K‾ → µ‾ ν γ на установке «ИСТРА+»