1. Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ
Юбилейный семинар
И.А.Савина
Физика каонов в экспериментах с участием ОИЯИ
В.Кекелидзе
Дубна, 7 декабря 2010
7 декабря 2010
1 /53

2. Формфакторы в полулептонных распадах KL
Содержание
БИС: Регенерация KL → KS
Формфакторы в полулептонных распадах KL
EXCHARM : Эффект выстроенности спинов K*(890)
NA48: Обнаружение прямого CP-нарушения
NA48/1: Редкие распады KS (поиск «новой физики»)
NA48/2: Поиск зарядовой асимметрии (СР-нарушения)
в распадах K
Загадка матрицы унитарности (угол Кабиббо)
Вклад в развитие ChPT – КХД низких энергий
(“cusp” эффект; распад Ке4; редкие распады K)
NA62: Сверхредкие СР нарушающие распады K
(поиск «новой физики»)
Заключение
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
2 /53

3. БИС one of the first electronic experiment at Serpukhov accelerator U-70 (1970-1976)
Study of neutral kaons
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
3 /53

4. KL – KS regeneration has been studied for the first time
On Hydrogen,
Deuterium & Carbon at
Serpukhov energies (U-70)
Clear picture was obtained of
amplitude degeneration with the energy rise, indicating on the Pomerantchuk Theorem
K.F. Albrecht et.al., NP B93(1975)237.
V.K. Birulev et.al.,NP B115(1976)249.
K.-F. Albrecht et.al.,NP B158(1979)29.
4 /53

5. Vector & axial FF were measured in Ke3 & Km3 decays
Ke3: l+ = (3.06 ± 0.34) x ~ 74k events
V.K.Birulev et al., NP B182(1981)1.
БИС
EXCHARM
I.Savin
5 /53

6. EXCHARM magnetic spectrometer in the neutral beam extracted from U-70
study of polarized phenomena
Search for multi-quark
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
6 /53

7. For the fist time: Spin alignment of K
For the fist time: Spin alignment of K*(892) ± mesons produced in neutron-carbon interactions
The values of ρ00 obtained in the transversity frame are:
0.424±0.011(stat)±0.018(sys) for K∗(892)+
0.393±0.025(stat)±0.018(sys) for K∗(892)−
r00
Significant Pt dependence of ρ00 has been observed in K∗(892)+ production
K*(892)+
K*(892)-
Pt, GeV/c
7 /53

8. NA48 (the first run at CERN SPS in 1997)
observation of direct
CP-violation
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
8 /53

9. СР-нарушение в системе нейтральных каонов
СР-нарушение (1964) «непрямое» - за счет смешивания состояний (сохранение К1)   K0 K0
KL=K2+ P K0
KS=K1+2
out in  in
out
не могло бы повлиять на бариогенезис
СР-нарушение в распадах К2 – «прямое»
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
9 /53

10. Measurement of direct CP-violation in neutral kaon decays
 =A(KL  +) / A(KS  +) = ||  exp(i)
00 = A(KL  00) / A(KS  00) = |00|  exp(i00 )
 = (43.4  0.7)º 00-  = (0.2  0.4)º (CPT)
 =  ` 00 =   2 `
The measured value:
Re(`/ ) = (1  R) / R =  00 /  2
(KL  00) / (KS  00)
double Ratio: R  —————————————
(KL  +) / (KS  +)
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
10 /53

11. simultaneous KS & KL beams
4 decay channels are detected simultaneously in common decay volume
~ collinear KS и KL beams
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
11 /53

12. 2-3M K/spill (/K~10),  decay products stay in pipe;
The NA48 detector
Main detector components:
Magnetic spectrometer (4 DCHs):
4 views/DCH:
Δp/p = 1.0%+0.044%*p [GeV/c].
Hodoscope
fast trigger (150ps).
Liquid Krypton EM calorimeter (LKr)‏
Hadron calorimeter
Muon veto counters
Photon vetoes
Beam pipe
2-3M K/spill (/K~10),  decay products stay in pipe;
flux ratio: K+/K–  1.8
K± beams
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
12 /53

13. Liquid Krypton EM calorimeter (LKr)‏
The first ISTC project
at CERN (1995)
liquid krypton (~10m3 at 120 K)
13212 cells, granularity 2x2 cm2
E/E = 3.2%/E1/2+0.9%/E
+ 0.42% [GeV]
x=y=0.42/E1/ mm
( GeV)
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
13 /53

14. Systematic corrections and uncertainties (’98-’99 data)
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
14/53

15. Stability checks of R 7 декабря 2010 В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
15 /53

16. Results of Re(’/) Re(’/) = (14.7  2.2) x 10-4 5.33 x 106
PL B465,335(1999); EPJ C22(2001)231
PL B544(2002)97
Re(’/) = (14.7  2.2) x 10-4
NA48 results
5.33 x 106
KL00 decays
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
16 /53

17. PDG 2006
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
17/53

18. NA48/1 (run at CERN SPS in 2002) Search for new physics 7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
18 /53

19. Consequence of measurements Br (KS  0 l + l )
(t=Vts*Vtd)
sensitivity to Im lt
Br(KL 0 е+е)CPV  15.3 as2  6.8as Im(t) [Im(t)104 ]2
(KTEV: Br < 5.110 10 )
constructive interference
Br(KS 0  + )= ( /-1.2  0.2sys)10-9
(6 events)
J.R.Batley et al.,PL B576(2004)197
NA48/1 first observation:
(7 events):
Br = ( /  0.2sys)10-9
J.R.Batlay et al.,PL B599(2003)43
Br(KS 0 e +e ) = 5.2 109 as2
19 /53

20. Br(at z > 0.2) = (4.9 1.6stat 0.9sys)10-8
2000 data
First observations
KS   0 
PL B578(2004)276.
Br(at z > 0.2) = (4.9 1.6stat 0.9sys)10-8
prediction of PT:
Br (Ks  0) < 3.8  (z=m2/m2K> 0.2)
KS   + e +e 
Eur.Phys.J.C(2003)33
Br = (4.68  0.23stat  0.21syst)10-5
A() = (1.0  4.0stat  1.5syst)%
to estimate a boundary on the indirect CPV term in KL  + e + e 
20 /53

21. NA48/2 (approved by SPSC CERN in 2002)
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
21 /53

22. The Goals of NA48/2
Direct CP violation in K±  ± +  , K±  ± 0 0
(Ag ) < 210 – 4 (limited by statistics)
g g -
Ag = ————
g+ + g -
Rare decays: to test PT & search for ACP
Ke - scat. length ( ) < 1102 ( > 106 events)
K   , K  0 DE K  e+ e, K  + , Ke2, K l  l+l, K  0 , K  0 l+l, … etc.
Semileptonic decay Br’s: Ke3, K3
to improve precision of |Vus| & check CKM unitarity
search for fT, fS (less systematics)
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
22/53

23. Search for charged asymmetry in K decays (CP-violation)
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
23 /53

24. Main goal – search for CP asymmetry in decays
Experiment NA48/2
Main goal – search for CP asymmetry in decays
K(3)
2003 run: ~ 50 days
2004 run: ~ 60 days
Total statistics in 2 years:
K  +: ~4·109
K  00: ~1·108
Rare K± decays:
BR’s down to 10–9 were measured
> 200 TB of data recorded
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
24 /53

25. Charged asymmetry in decay K(3)
Experimental precisions before NA48/2:
E. Gámiz et al., JHEP 10 (2003) 42
[Ag~10-3, dominated by systematics]
SM estimate (NLO ChPT): Agc = (–1.41.2)10–5;
Agn = (1.10.7)10–5.
Smith et al. (1975) “neutral”
10-2
Ford et al. (1970)
|Ag|
HyperCP prelim. (2000)
TNF (2005) “neutral”
10-3
NA48/2
proposal
G. D’Ambrosio et al., PLB480 (2000) 164
Models beyond the SM predict substantial enhancement partially within the reach of NA48/2.
“neutral”
10-4
“charged”
SUSY &
10-5 SM
New
physics
Asymmetry of integrated decay widths is strongly suppressed.
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
25 /53

26. NA48/2 simultaneous K+ & K- beam line
PK spectra,
603 GeV/c
NA48/2 simultaneous K+ & K- beam line
2-3M K/spill (/K~10),  decay products stay in pipe.
Flux ratio: K+/K–  1.8
Simultaneous K+ and K beams:
high charge symmetry
of experimental conditions
magnet K+ K+ BM
beam pipe
Be target z
focusing beams K
~71011 ppp,
400 GeV K
Second
achromat
Cleaning
Beam spectrometer (resolution 0.7%)‏
Front-end
achromat
Quadrupole
quadruplet
Beams coincide within ~1mm
all along 114m decay volume
Momentum
selection
Focusing
 sweeping
vacuum
tank
10 cm
He tank
+ spectrometer
1cm
not to scale 50
100
200
250 m

27. Формализм распада K±  (3) ±
Матричный элемент:
|M(u,v)|2 ~ 1 + gu + hu2 + kv2
Далиц плот зарегистрированных распадов
Система покоя К:
u = 2mK∙(mK/3Eodd)/m2
v = 2mK∙(E1E2)/m2.
прямое CP-нарушение:
асимметрия параметров
Ag = (g+g)/(g++g)  0
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
27 /53

28. Obtained asymmetry in decays of К
K± ±00
K± ±+–
[1] [2] [3] [4]
[1] [2] [3] [4]
[1] Ford et al. at BNL (1970)
[2] HyperCP at FNAL, prelim. (2000)
[3] NA48/ final
[4] NA48/ prelim.
[1] Smith et al. at CERN-PS (1975)
[2] TNF at IHEP Protvino (2005)
[4] NA48/
Ag x 104
g = (0.6 ± 0.7stat ± 0.4trig ± 0.5syst)10-4
g = (0.6 ± 0.9)  10-4
Agc = (1.5 ± 1.5stat ± 0.9trig ± 1.3syst)10-4
Agc = (1.5 ± 2.2)  10-4
Ag0 = (1.8 ± 1.7stat 0.6syst)10-4
= (1.8 ±1 .8)10-4
EPJ, C52: 875(2007)
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
28 /53

29. Unitarity Matrix Puzzle
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
29 /53

30. PDG contradicted with CKM Unitarity
test of CKM Unitarity
10-5
 = |Vus|
contributes ~50%
to the total uncertainty
Br, K, f+(0)  (Ke3) 
Vud .V*ud  Vus.V*us  Vub.V*ub  1
K+  0e + :
PDG: Br = (4.86 ± 0.06)%
Recent BNL data (E-865):
Br = (5.17 ± 0.02 ± 0.09 ± 0.04)%
based on ~ 70k events
PDG
BNL, E-865
KTEV
|Vus|
unitarity
Hep-ex/
NEW
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
29 /53

31. NA48/2 Results J.R.Batley et al.,EPJ C50(2007)329.
Contributed to solve this puzzle
G(K+ 0 e+ n) / G(K+ + 0) = ± ± syst
based on ~ 87k events
G(K+ 0 m+ n) / G(K+ + 0) = ± ± syst
based on ~ 77k events
G(K+ 0 e+ n) / G(K+0 m+ n) = ± ± 0.001syst
based on ~ 77k events
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
30 /53

32. pi-pi scattering length the ChPT basic parameters
Measurement of
pi-pi scattering length
the ChPT basic parameters
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
31 /53

33.  -  scattering lengths
S-wave scattering lengths a0, a2 (for I=0, 2) - basic parameters
of ChPT (Chiral Perturbation Theory or low energy QCD)
Theory predictions
(inits of 1/m):
“Universal Band” (from Roy equations)
PLB36 (1971) 353
S.Weinberg, PRL17(1966) 616. a2
ChPT prediction:
G.Colangelo, J.Gasser, H.Leutwyller
PRL86 (2001) 5008. a0
ChPT constraint
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
32 /53

34. Measurement of (a0, a2) in experiments:
Traditional methods:
K → p+ p- e n (Ke4 – decay)
life time of mesoatoms
for the first time done in NA48/2 experiment:
K → p p0 p0 (K3pi – decay) “cusp effect”
NA48/2
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
33 /53

35. K → p+ p- e n 1.13 M decays The measurements of: Form-Factors
pion-pion scattering lengths: a0 and a2
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
34 /53

36. Ke4 selection & background
Signal (p+ p- e n) topology:
3 charged tracks, good vertex
2 opposite sign pions
1 electron (ELKr /P ~ 1)
Main background sources:
a) K+  [p-  e-n]p+p+
b) K+  [p0  e+e- (g)] (p0) p+
Background seen in «wrong sign»
(WS) component (same sign pions)
a) 1(WS) / 2(RS)
b) 1(WS) / 1(RS)
Total background is at the level of 2 x 0.3 %
(estimated from WS events & checked by MC)
1.13 M of fully reconstructed Ke4 ( data)
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
35 /53

37. K → p+ p- e n (Ke4) formalism
a rare decay [ B.R. = (4.09 ± 0.09) x 105 ] described by 5 variables K 
p*(e) e e
direction of
the total e+e
momentum
in the K+ R.F.
the total P(
in the K+ R.F.
p*()  
5 Cabibbo–Maksymowicz variables:
For K  K
  
e  e 
s ≡ M2 , se ≡ Me2
e ,, 
In the partial wave expansion (only S, P) the amplitude can be written using 4 form factors & 1 phase shift:
F=Fseis+Fpeipcos G=Gpeip H=Hpeip  = s - p
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
36/53

38. Ke4 phase shift measurement
isospin correction (10-15 mrad) to all published points — downward shift
errors — combined stat. and syst.; fit to NA48/2 data alone
Systematic errors:
bin to bin correlated:
background level;
isospin corrections
- bin to bin uncorrelated:
fitting procedure;
trigger efficiency;
acceptance control;
background shape;
electron identification;
radiative correction
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
37/53

39. Ke4 phase shift measurement
isospin correction (10-15 mrad) to all published points — downward shift
errors — combined stat. and syst.; fit to NA48/2 data alone
errata published in
PRL105(2010)019901
PRD81(2010)119903
Systematic errors:
bin to bin correlated:
background level;
isospin corrections
- bin to bin uncorrelated:
fitting procedure;
trigger efficiency;
acceptance control;
background shape;
electron identification;
radiative correction
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
37 /53

40. Scattering lengths result
2 parameter fit (correlation 0.967)
a0 =  (stat)  (syst) (th*)
a2 =  (stat)  (syst) (th*)
1 parameter fit using ChPT link between a0 and a2
a0 =  (stat)  (syst) (th*)
* Theoretical errors evaluated from isospin corrections & inputs to Roy equations numerical solution
CGR EPJ C59 (2009) 777 .
Perfect agreement
with theory prediction:
a0 =  0.005
a2 = 
CGL NP B603(2001), PRL 86 (2001)
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
38 /53

41. Cusp effect in K → p p0p0 60 M decays The measurements of:
pion-pion scattering lengths: (a0 – a2) and a2
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
39 /53

42. “cusp effect” in K3pi decay
103
M(3) spectrum
a clear change of slope (“cusp”)
at +– threshold is observed.
M2(00) spectrum
Events
background is negligible
effect of K+– decays through
charge exchange +–00:
+– threshold
M1 interferes destructively with M0 for M00<2m+
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
40 /53

43. Cusp-effect: theory Original explanation:
+–00 rescattering amplitude, depends on a0–a2
Cabibbo, PRL 93 (2004)
Predicted: Budini, Fonda, PRL6(1961)419
Cabibbo-Isidori theory
(2) More complete computation:
Cabibbo, Isidori, JHEP 503(2005)21:
other amplitudes: +–+–, +0+0, etc.
two-loop O(ai2) corrections.
provides sensitivity to a2 alone.
Arbitrary scale
Cusp point
No rescattering amplitude
Subleading effect
Leading effect
(3) The “Bern-Bonn” group description:
Colangelo et al., PLB638 (2006) 187; Bissinger et al., PLB659(2008)576; NPB806(2009)178:
effective non-relativistic Lagrangian;
simultaneous fit of charged and neutral K3 modes;
electromagnetic and radiative corrections included.
0.072
0.074
0.076
0.078
0.080
0.082
M2(00), (GeV/c2)2
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
41 /53

44. Fit to M2(00) spectrum Fit quality & pionium signature
(Data–MC)/Data
7 data bins skipped around the M(+–) threshold
Combined sample
Excess of events in the excluded interval, if interpreted as due to pionium decaying as A200, gives R=(K+A2)/(K+–) = (1.820.21)10–5.
Prediction [Z.K. Silagadze, JETP Lett. 60 (1994) 689]: R=0.810–5
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
42 /53

45. Result of fit to M2(00) spectrum
parameters: a0–a2, a2, Dalitz plot slopes, normalization
(fit also includes K+– decays)
with rad.corrections
without rad.corrections
ChPT constraint
(statistical error only)
a2m+
(a0–a2)m+
(a0–a2)m+
= 0.0048stat. syst. ext.
a2m+=–0.024  0.013stat. 0.009syst. 0.002ext.
with ChPT constraint:
(a0–a2)m+ =  stat  syst  ext
ChPT prediction: (a0–a2)m+ =  0.004
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
43 /53

46. pion-pion scattering lengths:
summary of measurements
in Ke4 and K3pi decays
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
44 /53

47. (a0, a2) measurements: summary
Combination of NA48 measurements
 Vs M
, rad
NA48/2
S118
E865 measurement is
consistent with NA48/2
after erratum published:
PRD81 (2010)
E865
M, GeV
NA48/2:
two independent measurements
with different samples, theory
and systematics
for the first time, good sensitivity to a2
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
45 /53

48. Comparison with other measurements of a0
BNL E865 (2010)
ChPT prediction: a0=0.2200.005
Comparison with other measurements of a0
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
46 /53

49. (precise tests of ChPT)
Rare decays of K
(precise tests of ChPT)
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
47 /53

50. K → p p0 g EPJ C68 (2010)75 3 terms: IB, DE & INT IB INT DE
contributing to the decay could be disentangled in
W spectra
(integrated over T*p) IB DE IB
INT DE
Likelihood fit to W spectra:
r=- 0.93
600k decays
Frac(DE) = (3.32 ± 0.15stat ± 0.14syst) ·10-2
Frac(INT) =(-2.35 ± 0.35stat ± 0.39syst) ·10-2
First evidense of nonzero INT contribution
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
48 /53

51. Br(K → p gg) Sensitive to O(p4) & O(p6) contributions.
1164 events selected
40 times more than the world sample
3% Bkg mainly from p p0 g
Normalization — K2p (~6 M)
Main systematics : acceptance
Preliminary:
Br = (1.07  0.04stat  0.08syst) 10-6
Last measurement: BNL E787(1991):
31 candidates, 5 BG events:
BR = (1.10  0.32) 10-6
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
49 /53

52. NA62 (recommended at CERN SPS)
Super rare
CP-violating K decays
K decays
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
50 /53

53. – clear test of SM sensitive to New Physics
NA62:  decay
– clear test of SM sensitive to New Physics
Flavor Changing Neutral Current loop process: sd coupling & highest CKM suppression
hadronic matrix element can be extracted from measured quantities of Ke3
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
51 /53

54. NA62 The bar for future NA62 SM E787/949 (6 ev)
Br=( –1.05) ×10-10
100 events
Mean: E787/949
NA62 SM
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
52 /53

55. Conclusions kaons still provide variety of physics tasks
for the research
& have high potential of interesting discoveries
the corresponding uptodate experiments require
the development of frontier technology in detectors
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
53 /53

56. Дорогой Игорь Алексеевич !
Спасибо за мои первые шаги !
Поздравляю с Юбилеем !

57. Дорогой Игорь Алексеевич! Спасибо за мои первые шаги!
Поздравляю с Юбилеем!

58. Spare
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
2 /36

59. Выводы Распады каонов дают уникальную возможность как для изучения
- фундаментальных вопросов физики частиц
настройки и проверки вопросов
КХД низких знергий
Экспериментальная физика каонных распадов
— раздел физики частиц, занятый преодолением предела интенсивности событий
(«intensity frontier» - D. Bryman, KAON2009)
и, соответственно, предела точности
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
2 /36

60. Scattering matrix:
S|>=exp(2i)|> parameterized by 2 phases:
0,2 = –a0,2k + O(k2)
S-wave scattering lengths a0, a2 are essential low-energy parameters of Chiral Perturbation Theory (ChPT).

61. Roy equations (unitarity, analyticity & crossing symmetry)
Fit procedure
the FF &  are extracted minimazing a
log-likehood estimator in each of:
Evts/bin
evts MC
Data
9.8 M
650
17.7 M
1180
411000 27
739500 49 K- K+
10(M)x5(Me)x5(cose)x5(cos)x12()
= equi-populated bins
in each bin the correlation between the 4+1
parameters is taken into account.
Roy equations (unitarity, analyticity & crossing symmetry)
numerical solutions compute phases from data using a0 and a2
in the isospin symmetry limit
Isospin corrections are evaluated as a correction to
phase differences [CGR EPJ C59(2009)777]
Radiative effects are included in simulation
— Gamov factor (p+p- Coloumb attraction) in matrix element
& PHOTOS generator for real photons emission
7 декабря 2010
В. Кекелидзе, юбилей И.А.Савина
2 /36