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 ν h Поиск ν h в распадах К-мезонов Установка «ИСТРА+» Отбор событий для распада K µ ν γ Выделение сигнала Ограничения на |U µh | 2 Выводы семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН2

Мотивация Статья С.Н.Гниненко (ИЯИ РАН) Resolution of puzzles of LSND, KARMEN and MiniBooNE experiments Phys.Rev.D83:015015,2011. arXiv: Следующие 8 слайдов взяты из доклада С.Н.Гниненко на митинге NA62 в ЦЕРНе семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН3

Нейтринные осцилляции: LSND семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН4

Нейтринные осцилляции: KARMEN семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН5

Нейтринные осцилляции: MiniBooNE семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН6

Нейтринные осцилляции: сводная таблица результатов семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН7

Возможное объяснение результатов экспериментов (С.Н.Гниненко, ИЯИ РАН) семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН8

Параметры новой частицы ν h m > 40 MeV: отсутствие избытка событий в KARMEN (пороговый эффект) m 80MeV рождение ν h в LSND подавлено за счет фазового объема τ(ν h ) > sec: из ограничений LEP: BR(Zνν h ) x BR(ν h ν γ) < 2.7 x τ(ν h ) < sec: ν h распадаются в пределах детектора MiniBooNE < |U μh | 2 < : из количества «избыточных» событий в MiniBooNE семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН9

Новая слабо взаимодействующая частица ν h семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН10 Радиационный распад (>99%): ν h νγ 40 MeV < m (ν h ) < 80 MeV < |U μh | 2 < sec < τ(ν h ) < sec

ν h : ограничения из каонных/пионных распадов семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН11

Поиск ν h в распадх К-мезонов семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН12 Kμν h : пик в E μ (cms) фон от Kμν μ нет чувствительности к малым массам ν h из-за разрешения Kμν h, ν h ν γ: пик в E μ (cms) сигнатура такая же, как для K µ ν γ Нет фона от Kμν μ есть чувствительность к малым массам ν h Вершина вторичного распада подходит для «ИСТРА+» Энергия мюона в 2- частичном распаде

Коллаборация «ИСТРА+» семинар ОФВЭ ИЯИ, 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 годоскоп семинар ОФВЭ ИЯИ, T 0 = S 1. S 2. S 3. S 4. C 0. C 1. C 2. S 5 (фактор подавления ~10) T 1 =T 0. (SP 1 > MIP) В.A.Дук, ИЯИ РАН14 p ~ 26 GeV/c, Δp/p ~ 1.5%, K ~ 3%, I ~ 3*10 6 / 1.9sec

Установка ИСТРА+: пучковая часть семинар ОФВЭ ИЯИ, T 0 =S1. S2. S3. S4. C0. C1. C2. S5 (prescaled by a factor of ~10) T 1 =T 0. (SP1 > MIP) В.A.Дук, ИЯИ РАН15 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, T 0 =S1. S2. S3. S4. C0. C1. C2. S5 (prescaled by a factor of ~10) T 1 =T 0. (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, T 0 =S1. S2. S3. S4. C0. C1. C2. S5 (prescaled by a factor of ~10) T 1 =T 0. (SP1 > MIP) В.A.Дук, ИЯИ РАН17 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, T 0 =S1. S2. S3. S4. C0. C1. C2. S5 (prescaled by a factor of ~10) T 1 =T 0. (SP1 > MIP) В.A.Дук, ИЯИ РАН18 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 Kµν h (ν h νγ) : первичная и вторичная вершина распада семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН19 K K μ μ νμνμ ν γ γνhνh A A B B P γ, вычисленный по точкам A, B P γ, вычисленный по точкам A, B: дополнительное «размытие» энергии E νh ~ 240 MeV, m νh ~ 40–80 MeV Размытие небольшое Kµνγ Kµν h (ν h νγ)

Kµν h (ν h νγ): первичная и вторичная вершина распада семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН20 Z νh - Z K (Z νh – Z K )/(Z ECAL – Z K ) τ = sec τ = sec τ =10 -9 sec τ = sec τ = sec dz, cm

Kµν h (ν h νγ): «размытие» E γ в системе отсчета каона семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН21 τ= secτ= secτ=10 -9 sec dE, GeV dE = E true - E measured

Kµν h (ν h νγ): кинематика в системе отсчета (СО) каона семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН22 νhνh ν γ μ E νh ~ 240 MeV, m νh ~ 40–80 MeV E γ > 50 MeV вершина распада каона P γ : СО каона P* γ : СО ν h cos θ μγ ~ (-1) пик более острый для малых m h

Отбор событий для распада Kµν h (ν h νγ): сигнатура K µ ν μ 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, В.A.Дук, ИЯИ РАН23

дифференциальная ширина распада Kµν µ γ: общая формула семинар ОФВЭ ИЯИ, Кинематические переменные: х = 2 * E γ (cms) / M k y = 2 * E µ (cms) / M k 3 основных вклада: IB – доминирующий SD ±, INT ± - наиболее интересные ( F v, F A ) В.A.Дук, ИЯИ РАН24 x y Далитц-плот

Kµνγ: подавление фонов и наблюдение сигнала Основные фоновые процессы: K µ ν π 0 (Kµ3) с одним потерянным фотоном от распада π 0γγ K π π 0 (Kπ2) с одним потерянным фотоном от π 0γγ и неправильной идентификацией π Наблюдение сигнала: M(µ ν γ)=(P µ +P ν +P γ ) 2 где p ν =p K -p µ -p γ ; E ν =|p ν | M(µνγ) имеет пик на M K =0.494 GeV для сигнала Процедура подавления фонов: сканирование Далитц- плота (y, x) и поиск пика в распределении по M(µνγ) семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН25

Kµνγ: Далитц-плот (y, x) семинар ОФВЭ ИЯИ, сигнал (MC) Kµ3 (MC)Kπ2 (MC) XXX YYY В.A.Дук, ИЯИ РАН26 Основной фон: Kμ3 для больших x Kπ2 для малых x

Kµνγ: 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 θ μγ Подробности в статье Phys.Lett.B 695 (2011) семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН X y y y M (µ ν γ) cos θ µγ зеленый: Kµνγ синий: Kμ3 красный: Kπ2 27

Kµν h (ν h νγ): подавление фонов и выделение сигнала Основные фоны: K µ ν γ (Kµ2γ) K µ ν π 0 (Kµ3) С потерянным фотоном от π 0γγ K π π 0 (Kπ2) С потерянным фотоном от π 0γγ и неправильной идентификацией π как μ наблюдение сигнала: пики в распределении по y и cos θ μγ, где θ μγ - угол между p µ и p γ iв системе отсчета каона. cos θ μγ имеет пик на (-1) для сигнала процедура подавления фонов: сканирование Далитц-плота (х, y) и поиск пика в распределении по cos θ μγ семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН28

Kµν h (ν h νγ): Далитц-плот (y, x) семинар ОФВЭ ИЯИ, Kµ2γ (MC) Kµ3 (MC) Kπ2 (MC) X X X Y Y Y В.A.Дук, ИЯИ РАН29 сигнал (MC) X Y основной фон: Kπ2

Kµν h (ν h νγ): выделение сигнала Далитц-плот (y, x) делится на полосы по х с шириной Δ x=0.05 (x-полосы) ограничение на y в х-полосах: 1 < y < 1.2 Одновременный фит y и cos θ μγ в х-полосах семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН 7 x-полос отобрано для дальнейшего анализа в диапазоне: 1 < y < < x < X y сигнал (MC)

Возможный сигнал ν h в х-полосах; |U µh | 2 =0.01, m=60 MeV, τ = sec семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН полоса 2: 0.25 < x < 0.3 полоса 4: 0.35 < x < 0.4 полоса 7: 0.5 < x < cos θ µγ Y Y Y фиолетовый: сигнал зеленый: Kµνγ синий: Kμ3 красный: Kπ2 пик острее для больших x

Возможный сигнал для разных масс ν h ; |U µh | 2 =0.01, τ = sec семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН32 m=80 MeVm=60 MeV m=40 MeV cos θ µγ пик более острый для малых m h

Возможный сигнал для разных времен жизни ν h ; |U µh | 2 =0.01, m=60 MeV семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН τ =10 -9 sec τ = sec τ = sec 33 cos θ µγ пик более острый для больших τ h

Эффективность семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН34 τ =10 -9 sec τ = sec τ = sec m νh, MeV

Kµν h (ν h νγ): одновременный фит в х-полосах семинар ОФВЭ ИЯИ, Одновременный фит cos θ μγ 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 < < x < cos θ µγ Y Y

Вычисление |U µh | 2 семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН36

Вычисление |U µh | 2 семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН37

Вычисление |U µh | 2 семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН38 синий: 1+(m h /m μ ) 2 красный: f(m h, m μ ) f(m h, m µ ) m νh, GeV f = 1.1 – · 10 7

Вычисление |U µh | 2 |U µh | 2 вычисляется для каждой х-полосы Полученные величины |U µh | 2 усредняются Устанавливается верхний предел на|U µh | 2 семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН39

Усреднение |U µh | 2 и установление U.L. семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН40 |U µh | 2 = (0.8 ± 1.2)*10 -5 |U µh | 2 < 2.7*10 -5 (95% C.L.) m=80 MeV, τ = sec |U µh | 2 X

|U µh | 2 для τ= sec семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН41 Синяя полоса : предсказание из данных LSND, KARMEN. MiniBoonE Черная линия: 95% C.L. m νh, MeV |U µh | 2

|U µh | 2 для τ= sec семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН42 m νh, MeV Черная линия: 95% C.L. Синяя полоса : предсказание из данных LSND, KARMEN. MiniBoonE |U µh | 2

|U µh | 2 для τ=10 -9 sec семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН43 m νh, MeV Синяя полоса : предсказание из данных LSND, KARMEN. MiniBoonE Черная линия: 95% C.L. |U µh | 2

Систематическая ошибка: ограничение на x семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН44 усреднение |U μh | 2 : добавление 8-й х-полосы в фит τ =10 -9 sec m νh, MeV τ = sec m νh, MeV τ = sec

Систематическая ошибка: форма распределений MC семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН45 Усреднение |U μh | 2 : масштабирование ошибок до χ 2 /ndf = 1 τ = sec m νh, MeV τ = sec m νh, MeV τ =10 -9 sec

Предварительные результаты |U µh | 2 < 1x10 -4 (95% CL) для τ=10 -9 sec |U µh | 2 < 4x10 -5 (95% CL) для τ= sec |U µh | 2 < 4x10 -5 (95% CL) для τ= sec Детальное изучение систематики в процессе семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН46

Выводы Тяжелое стерильное нейтрино ν h со следующими свойствами объясняет аномалии LSND/KARMEN/MiniBoone: 40 MeV < m(ν h ) < 80 MeV, sec < τ(ν h ) < sec, < |U μh | 2 < ν h можно эффективно искать в распадах К-мезонов: Kµν h (ν h νγ) Получены ограничения на |U µh | 2 из распада K µ ν γ на установке «ИСТРА+»: |U µh | 2 < 1x10 -4 (95% CL) для τ=10 -9 sec |U µh | 2 < 4x10 -5 (95% CL) для τ= sec |U µh | 2 < 4x10 -5 (95% CL) для τ= sec Детальное изучение систематики в процессе семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН47

семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН48 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Back-up: верхний предел с учетом систематической ошибки семинар ОФВЭ ИЯИ, В.A.Дук, ИЯИ РАН49