l’esperimento meg: risultati e...

L’esperimento MEG: risultati e prospettive

Donato Nicolò Università di Pisa & INFN

(per conto della collaborazione MEG)

Congresso SIF 2011

L’Aquila, 29 Settembre 2011

L'esperimento MEG... 2

Sommario • L’esperimento

– Obiettivo – Segnatura e fondi – L’apparato sperimentale

• La presa dati – Calibrazioni & monitor del rivelatore – Prestazioni ed efficienze – Riassunto dei dati

• I risultati – Strategia di analisi – Richiamo dei precedenti risultati (Run 2009) – Ultimi risultati (Run 2009+2010)

• Prospettive per il futuro – Sensibilità vs. tempo

• Conclusioni

9/29/2011

L’ esperimento

•La fisica

•Segnatura e fondi

•Schema del rivelatore

4

cLFV nel SM ed oltre • SM: oscillazioni di ν di Dirac flavour mixing nel settore leptonico

trascurabile!

• SUSY: contributi all’ampiezza tramite il mixing nel settore di alta energia della teoria (altre particelle nei loop) complementare ad LHC

R. Barbieri et al., Nucl. Phys. B445(1995) 215

A.Masiero et al. Nucl. Phys. B649 (2003) 189

L.Calibbi et al. Phys. Rev. D74 (2006) 116002

55

2

2

22 102

2

WM

m

sin

)e(

)e(

necessità di scale di massa più alte SUSY

LFV: an experimental

review

S.M. Bilenky, S.T. Petcov, B.Pontecorvo Phys. Lett. B67 (1977)309

Processi cLFV

9/29/2011 L'esperimento MEG... 5

Predizioni

(vs eγ) 1

Limiti attuali

1.2x10-11

(MEGA,

1999)

(B-factories,

2010)

(BNL, 2004)

4.7x10-12

7.0 x 10-13

(SINDRUM

II, 2006)

1.0x10-12

(SINDRUM,

1988)

Limiti futuri

O(10-13)

(MEG,

in run)

O(10-15)

(Super-B

factories,2015)

3.6σ 8σ

(Gm2, FNAL,

2015)

O(10-1618)

(Comet,

Mu2e,2017)

O(10-16)

(Heidelberg,

2015)

42)(

m

m1210

910

eB

Z

..me

8105.43.3 1110)81296(

6

cLFV, EDM, g-2

Esperimento MEG ...

222

222

222

2

~~~~~~

~~~~~~

~~~~~~

'~~

mmm

mmm

mmm

M

e

e

eeee

ll

• contributo al EDM, MDM dei leptoni dagli elementi diagonali della matrice di massa degli sleptoni • processi LFV indotti dai termini non-diagonali (dipende dal meccanismo di rottura di SUSY e dal tipo di interazioni LFV alla scala GUT)

μ→eγ

μZ→eZ g-2

EDM

)( ~~2

m

)( ~~2

m

• effetto SUSY su g-2 deviazione dalle predizioni SM • indizio sperimentale: il risultato di E821 11exp 10)81296( SMaaa

Δaμ ≠0 associato a SUSY

G.Isidori et al.

Phys. Rev. D75 (2007) 115019

1210 )( eBR

Segnale e fondi


0

180

MeV 8.52

e

e

e

t

EE

accpro BB 1.0 eeeacc tEERB 22

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La collaborazione MEG


Schema dell’apparato Il rivelatore

• Calorimetro e.m. a Xenon Liquido per la rivelazione del (scintillazione)

- veloce (τ ~ 20÷40 ns)

- alta resa di luce (70% NaI)

• Spettrometro magnetico con campo quasi-solenoidale + camere a deriva (X0=2∙10-3) per la misura dell’impulso del e+

• Contatori a scintillazione per la misura del tempo di volo del e+

Il fascio

• Fascio di muoni DC (>108m/s) il più intenso

di surface muons (28 MeV/c)

arrestati su un bersaglio sottile (100 µm)

• Rate di decadimenti Rµ = 3x107 s-1 limitato per ridurre gli effetti di pile-up

Tutti gli effetti di materia devono essere minimizzati per non compromettere le risoluzioni

9 L'esperimento MEG... 9/29/2011

L’apparato sperimentale


LXe spettrometro linea di fascio

La presa dati

• Calibrazione e stabilità del rivelatore

• Prestazioni

• Data summary

Strumenti di calibrazione


γ da reazione di π-CEX


• Eγ = 55 (83) MeV prossima all’energia del signale • bersaglio di LH2 • polarità e setting dei magneti del fascio differenti rispetto alla normale presa dati da usare con cautela (~ 1/anno)

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L'esperimento MEG...

Reazioni nucleari (p,γ) • Uso di un acceleratore Cockcroft-Walton per inviare protoni di

energia regolabile (100 keV 1 MeV) su un bersaglio di Li2B4O7

– Li: high rate, higher energy photon

– B: two (lower energy) time-coincident photons

Reaction Eres sres -lines

Li(p,)Be 440 keV 5 mb (17.6, 14.6) MeV

B(p,)C 163 keV 2 10-1 mb (4.4, 11.7, 16.1) MeV

>16.1 MeV >11.7 MeV

4.4 MeV

ΔE/E = 8.5% (FWHM)

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• Tutti i metodi sono stati utilizzati durante il Run 2010

• Stabilità della scala in energia entro lo 0.3%

Monitor di stabilità

L'esperimento MEG... 15 9/29/2011

Linearità della scala in energia


Prestazioni del tracciatore (1) • Nessun decadimento disponibile per produrre particelle back-

to-back a queste energie (a parte µeγ ... semmai)

• Impulso del positrone fit dell’edge di Michel

• Vertice di decadimento fit ai fori nel bersaglio


=

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Prestazioni del tracciatore (2)


• direzione del positrone fit delle tracce con doppio giro

• Segmenti di traccia ricostruiti indipendentemente ed associati a particelle differenti

• risoluzione angolare ottenuta dallo scarto delle due ricostruzioni al punto di inversione della traccia

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I risultati

• Strategia di analisi

• Richiamo dei risultati dal Run 2009

• Ultimi risultati (dati 2009+2010) (vedi J.Adam et al. Arxiv:1107.5547, accettato su PRL)

Sommario presa dati


Strategia di analisi


• Analisi blind di likelihood

– Osservabili blinding : Eγ and Δteγ

pdfs: • segnale: dalla funzione di risposta dei rivelatori • accidentali: dalla distribuzione degli eventi nelle time sidebands • RD: dalla distribuzione degli eventi nella energy sideband + simulazione del trigger (taglio angolare)

signal box time sidebands energy sideband

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Likelihood fit • Approccio frequentista basato sulla prescrizione di Feldman-

Cousins con profile likelihood ratio ordering

• Osservabili – cinematica ( )

– Conteggi nelle sidebands R , A

• Parametri – numero di eventi di signale e fondo

– parametri nuisance aggiunti per tenere in conto la sistematica


ix

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Run 2009


1, 1.64, 2 σ-contours event ranking based on signal/background likelihood ratio

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Likelihood 2009


Run 2010, sidebands


Expected sensitivity = 2.2 x 10-12 (90% CL)

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Run 2010, signal region


Data unblind on July the 5th

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Likelihood fit ai dati 2010


Likelihood 2010


Risultato complessivo


Systematic error included (2% effect on UL) due to correlation in positron reconstruction, γ-energy scale, normalization

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• Previsione di presa dati fino a tutto il 2012 – Sensibilità qualche 10-13

Proiezione sulla sensibilità

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Conclusioni • Passato (2009+2010)

– Dati analizzati, risultati in corso di pubblicazione, nessuna evidenza di LFV

– 90% UL fissato a 2.4x10-12 ( fattore 5 meglio di MEGA)

• Presente (2011) – DAQ+ trigger, pipeline read-out

trigger efficiency*livetime dal 75 % (2010) al 98%

– Nuovo sistema di DC HV minore rumore migliori prestazioni

• Futuro – Ancora spazio per migliorare le prestazioni del rivelatore

• σ(Eγ) = 1.5%, σ(pe) = 290 keV, σ(θeγ) = 8 mrad

– Run fino a fine 2011 (>2 x 2010 statistica attesa) and 2012

• sensibilità prevista O(10-13)


Backup slides

Systematics budget


Miglioramenti sui dati 2009


Likelihood vs BR


just a pictorial view

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Pile-up rejection


•reconstruction of the main cluster •replacement of Npe for pile-up cluster with expected values

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LXe PMT monitoring • 241Am sources on =100m wires to

determine PMT QEs

monitor absorption length

Rα = 7 mm

Rα = 40 μm

GAS

LIQUID

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B(p,γ)C reaction • 2 simultaneous lines to exploit the (LXe-TC) coincidence

4.4 MeV

11.6 MeV

“Energy” deposit in TC

En

ergy

dep

osi

t in

LX

e

tLXe - tTC

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Mott positrons • monochromatic positrons delivered by πE5

– Rate on target 8x108 e+/s @Ip = 2 mA e Δp/p ~ 7%

– momentum spread tunable fino a Δp/p ~ 1% (at a cost of a rate reduction)

• Tunable momentun around 50 MeV (byte ~ 30 keV)

• Scattered by a 2 mm-thick 12C target (known cross section) – absolute efficiency


Results e future objectives


• test done at the beginning of Run 2010 (7 h live time)

– p = 40, 45, 50 MeV

• Non-optimal target-beam angle (= 45o)

• different resolution for US (θ > 90o) e DS (θ < 90o) positrons

(in both cases the beam momentum byte contributes up to σp = 480 KeV)

• New DAQ going on (angle = 35o) before Run 2011

• Further test: relative DC-COBRA alignment

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DC alignment with cosmics • DC frame embedded in the absolute detector frame (=magnet frame)

thanks to an optical survey (poor resolution ~ 1 mm)

• previous method based on hit-residual minimization of Michel positron tracks

• new procedure utilizing cosmic rays cosmici (field OFF)

independent of the field and tracking algorithm

pile-up free

higher momentum tracks (p ~ O(1GeV))

fewer matter effects

• “analytical” χ2 minimization as a function of

alignment parameters

(similar to Millipede algorithm used by CMS

CMS note 2008/008)


The neutron generator • LXe calibration

– Need to monitor the calorimeter during normal run conditions

– α-events already available

– To be cross-checked with m.i.p.

• Pulsed generato installed

– Thermofisher (based on D-D fusion)

– 9 MeV γ-line from thermal neutron capture on Nickel

– new trigger in coincidence (ΔT = 100 μs) with the plasma extraction pulse


L'esperimento MEG...

• Events acquired with a pre-scaled trigger

• Dominating over the beam-related γ-background

• Allows to take beam off/on effects (related to the different PMT working conditions under control)

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Energy spectrum

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DC-LXe alignment


– crucial test of the back-to-back condition of the decay products

– implemented methods:

• Cosmic rays

• LXe-radiography by means of Pb-cubes in known positions in the absolute detector (COBRA) frame

– new method being proposed:

• makes use of RMD-events close to the end-point

• already implemented in previous experiments

• current limitations due to trigger biases and low statistics

• need of dedicated run with low beam intensity and no direction match

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Target-DC alignment


• The optical surevy provides a measurement of the target position • That position can be cross-checked by comparing the expected vs reconstructed position of the holes

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B-field corrections


Correlation (1)


φ = 0

φ > 0

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Correlations (2)


Correlation in positron observables comes out of the decay vertex reconstruction (defined as the intersection of fitted track with the target plane)

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Noise figure in DC signals


Data summary


muons on target 2009 2010

Run 2010 prematurely ended due to a serious quench of the transport solenoid

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TC status • New fast electronics for the shaping of fiber-coupled APDs

– Stereo reconstruction of TC hit point

– useful at both trigger and off-line stage

• Implementation of a Nd-laser – precise tool for LXe-TC timing


QE measurement


Obtained by comparison of measured vs. expected number of photoelectrons from each α-source

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Additional quenching factors • Ionization quenching

e-capture by electro-negative impurities (namely O2) (WARP collaboration, submitted to NIM A, and references therein)

• Non-radiative collitional reactions Xe2* + N2 2 Xe + N2

1/t’j = 1/j + k[N2] (shorter decay-time)

A’j = Aj/(1 + j k[N2]) (lower light intensity)

used in LAr to shorten the long decay-time component (WARP collaboration, arXiv:0804.1217v1 [nucl-ex])

In both cases, quenching of scintillation light is expected,

More significant in the case of lightly ionizing particles

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DC performance


The rate of events with a reconstructed track decreases with the Run going on absolute e+-efficiency getting lower and lower

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e+-momentum resolution


obtained from a fit of the edge of Michel spectrum (with a slight dependence on the emission angle)

twice worse than expected

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pdfs • Signal

– Eγ from full signal simulation (response function tuned on the data)

– Ee from 3-gaussian fit on data

– θeγ from combined positron and gamma angular resolution (data fit)

– teγ from gaussian fit to RD data spectrum

• RD

– Ee, Eγ, θeγ 3d-histo pdf from toy MC (including resolution and acceptance smearing)

– teγ gaussian fit to RD data spectrum (as in the case of signal)

• accidentals – Eγ, θeγ from fit to the sidebands

– Ee from the data

– teγ flat distribution


DC relative efficiency


• no quality cut • quality cut

pe > 50 MeV/c

0.459.87ε

ε

M

S

• Relative efficiency (i.e. fraction of signal/Michel events) is almost constant during the run (in spite of DC deterioration) • average ratio agrees with the expected fraction of e+ with p>50 MeV

it is possible to normalize the signal pdf by counting the number of Michel

MC

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Il Run 2010


Polarizzazione dei muoni • Fascio costituito da “surface muons” P = 1

• Possibili effetti di depolarizzazione

– contaminazione da “cluod muons”

(i.e. muoni da decadimenti di pioni non a riposo) ΔP = 4%

– rotazione di spin ΔP < 0.7%

– multiplo scattering nel bersaglio ΔP < 0.3%

– divergenza del fascio ΔP = 4%

• Misura della polarizzazione

– distribuzione angolare

dei decadimenti di Michel

(tanto più asimmetrica

all’end-point)


030920 .. zP

MEG acceptance cosd

d

P = 1

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Dati 2009


Blue: US Red: DS

E (MeV)

E (MeV)

E (MeV)

30

20

2

1

20

10

2

1

10

0

2

1

2

1

90

90

coscos

d

dEd

dN

DS

1

2

90

90

coscos

d

dEd

dN

US

< P > = 0.89 0.04 (only statistical error)

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Radiative decays • The number of observed

events is compatible with

estimated efficiencies

• also the angular distribution

agrees with expectations

• also seen in normal data (with kinematical cuts applied)

σ(Δteγ) = (159±9) ps

(extrapolated to 143 ps @52.8 MeV)

• contribution from tracking

e+ time-of-flight uncertainty


cos(θeγ)

(Δteγ)

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α-sources, a closer view


l’esperimento meg: risultati e...

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