Obiectivele NA62

Experimentul NA62 are ca scop masurarea dezintegrarii foarte rare K+ → π+ν ν la CERN SPS , pentru a testa in mod decisiv Modelul Standard (SM) prin extragerea, cu o incertitudine de cel mult 10% , parametrul |Vtd| al matricii Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (CKM) .

Pentru a isi atinge scopul, NA62 are nevoie de aproximativ 100 de dezintegrari K+ → π+ν ν "in-flight" si de a mentine incertitudinea sistematica totala mica. Presupunand o acceptanta a semnalului de 10% si o intensitate relativa a dezintegrarii de 10-10, cel putin 1013 dezintegrari ale K+ sunt necesare.

Factorul de rejectie al dezintegrarilor comune ale K+ necesar mentinerii sub control a incertitudinii sistematice este de ordinul 1012. In plus, este necesar ca eficientele si a supresia fondului sa poata fi masurate direct din datele experimentale.

Complementar obiectivului principal, datorita intenistatii mari a fasciculului si a performantei detectorilor, experimentul NA62 are un program variat de cercetare: masuratori precise ale universalitatii leptonilor, cautari ale proceselor ce nu conserva numarul leptonic (LNV) sau numarul de familie leptonica (LFNV), dar si cautari ale particulelor exotice cum ar fi Dark Photon, Heavy neutral lepton si particulele de tip axion.

Obiectivele proiectului

De-a lungul proiectului (2020-2026), echipa din Institutul National pentru Fizica si Inginerie Nucleara (IFIN-HH) a contribuit la:
- Emendarea calorimetrului hadronic HASC, dubland acceptanta geometrica a acestuia;
- Imbunatatirea rezolutiei temporale a HASC;
- Evaluarea sensitivitatii NA62 la diferite canale de dezintegrare ale "dark scalar";
- Mentenanta si operarea HASC pe durata NA62 Physics Runs, dry-runs, a testelor cu fascicul si cu raze cosmice;
- Participarea la shifturi in cadrul campaniilor de preluare de date, a dry-runs si a testelor cu fascicul si cu raze cosmice;
- Implementarea de metode de reducerea a variantei ("biasing") in framework-ul Monte Carlo al NA62;
- Masurarea cu precizie a ratei relative de dezintegrare in procesul π0→e+e-
- Coordonarea grupurilor de Software si validare Monte Carlo

Echipa IFIN-HH

Echipa este formata din urmatorii membrii ai personalului C&D al Departamentului pentru Fizica Particulelor Elementare din IFIN-HH:
- Dr. Alexandru-Mario BRAGADIREANU - cercetator stiintific;
- Ovidiu-Emanuel HUTANU - inginer;
- Stefan-Alexandru GHINESCU - cercetator stiintific;
- Petre BOBOC - asistent de cercetare stiintifica;
- Neagu IONEL - tehnician;
- Alina Motorga - contabil;

Rezultate

I. Asamblarea celui de-al doilea calorimetru HASC


Activitatea I.1: Productia, asamblarea si testarea HASC FEE ("front end electronics") si a suporturilor mechanice pentru 18 module HASC;
Activitatea I.2: Productia, asamblarea si testarea controlerului de temperatura si a distributiei de High- si Low-Voltage a HASC
Activitatea I.3: Instalarea celei de-a doua statii HASC.

HASC picture HASC perf

Detectorul HASC dupa instalarea celei de-a doua statii (stanga); Impactul celei de-a doua statii asupra mai multor tipuri de fond (dreapta).

II. Studii asupra HASC


Activitatea II.1: Am elaborat o metoda de calibrare a semnalului generat de HASC. Figura de mai jos arata spectrul de amplitudini ale semnalelor generate de raze cosmice (albastru) si predictia modelelui nostru (rosu).

HASC calibration

Calibararea semnalului HASC cu raze cosmice

Activitatea II.2: La cererea colaborarii, am determinat pozitia optima a noului HASC prin simulari MC. Din figura de mai jos reiese ca aceasta pozitie este simetrica fata de cea a vechiului HASC in raport cu fasciulul.

New HASC position

Distributia electronilor (albastru) si a positronilor (rosu) la planul din fata HASC

Activitatea II.3: Performantele noi statii HASC si a sistemului de racire au fost testate prin intermediul rezolutiei temporale a detectorului. Figura de mai jos arata imbunatatirea semnificativa a rezolutiei temporale fata de anul 2018, fapt ce se datoreaza temperaturii de functionare mai scazute a SiPM-urilor.

HASC timing

Rezolutia temporala a HASC.

Activitatea II.4: HASC a fost operat continuu pe parcursul campaniei de preluare a datelor NA62. Figura de mai jos prezinta evolutia rezolutiei temporale pentru ambele statii HASC in perioada 2021–2025; aceasta a ramas in limita a 100 ps fata de valoarea initiala, confirmand o functionare stabila pe termen lung.

Evolutia rezolutiei temporale HASC 2021-2025

Evolutia rezolutiei temporale a HASC pentru statia veche (albastru) si statia noua (portocaliu) in perioada 2021–2025.

III. Implementarea metodelor de reducere a variantei.

Activitatea III.1: Am modificat, in cadrul Geant4, procesul de interactie inelastica a K+ fortand emiterea unui KS cu impulsul peste 20 GeV/c. Figura de mai jos arata sporirea numarului de evenimente utile (verde) indusa prin aceasta tehnica.

KS biasing

Coordonata Z a dezintegrarii KS in cazul modificat (stanga) si cel analog (dreapta)

IV. Studii ale materiei intunecate

Mai multe seturi dedicate de date, continand aproximativ din 9,2×1017 protoni pe tinta, au fost colectate de NA62 pentru studiul materiei intunecate. Multiple analize sunt in derulare si investigheaza diverse extensii ale Modelului Standard, iar echipa IFIN-HH este activ implicata in majoritatea acestora.

Activitatea IV.1: Generarea unui esantion MC al fondului de fascicul pentru esantionul colectat. Aceasta activitate implica simularea trecerii prin experiment a produselor interactiunii tuturor celor 1,4×1017 protoni primari. Au fost dezvoltate mai multe tehnici de reducere a variatiei in acest scop (a se vedea rezumatele anuale).

Activitatea IV.2: Cautarea fotonilor intunecati care se dezintegreaza in perechi electron-pozitron. Figura de mai jos arata regiunea din spatiul parametrilor exclusa ca rezultat al acestei cautari

ee exclusion

Conturul de excludere in spatiul parametrilor pentru fotonul intunecat, luand in considerare doar dezintegrarile in perechi electron-pozitron

Activitatea IV.3: Combinarea statistica a rezultatelor cautarii fotonilor intunecati. Fotonii intunecati (daca exista) se pot dezintegra si in alte stari finale, de exemplu perechi muon-antimuon sau hadroni. Regiunile de excludere obtinute din rezultatele combinate ale diverselor stari finale sunt prezentate in figurile de mai jos

ll exclusion ll pipi exclusion

Conturul de excludere in spatiul parametrilor pentru fotonul intunecat, luand in considerare diverse combinatii de stari finale

Activitatea IV.4: A inceput lucrul la simularea fondului de hadroni incarcati pentru setul de date din modul beam dump, in contextul cautarii leptonilor neutri greoi (HNL). A fost dezvoltat un algoritm de biasare care sporeste productia componentei halo de hadroni in simulare cu un factor de ~4×105. Algoritmul a fost validat prin compararea randamentelor simulate si observate ale dezintegrarilor KS→π+π- si Λ→pπ-, cu un acord in limita unui factor doi, dupa cum se arata in figura de mai jos.

Distributii impuls Ks si Lambda

Distributiile impulsului KS (stanga) si Λ (dreapta) la punctul lor de dezintegrare, comparand datele experimentale cu doua modele MC (FTFP si QGSP).

V. Masuratori de precizie

In cadrul Teoriei Perturbatiei Chirale, masurarea ratei de dezintegrare π0→e+e- ofera o constrangere experimentala stricta asupra calculelor teoretice. Procesul are contributii la distante mici neglijabile si reprezinta dezintegrarea pseudo-scalara in perechi de leptoni cea mai bine masurata. Beneficiile masurarii ratei includ predictii imbunatatite pentru dezintegrarile altor mezoni pseudo-scalari in perechi de leptoni, cum ar fi η→μ+μ-, si contributia la distante mari a dezintegrarii KL0→μ+μ-. In cel din urma caz, contributia la distante mici este o sursa potentiala de informatie despre |Vtd|.
Echipa IFIN-HH a efectuat analiza π0→e+e- pe setul de date Run 1, utilizand aproximativ 500 de dezintegrari K+→π+π0; π0→e+e- reconstruite. A fost dezvoltat un Emulator de Energie LKr (Kripton Lichid) care imbunatateste descrierea raspunsului detectorului pentru traseul pionului (figura de mai jos, stanga), reducand incertitudinea sistematica totala la 0,12×10-8. Raportul de ramificatie preliminar obtinut este BNA62(π0→e+e-, fara‑rad) = (6,26 ± 0,38)×10-8, in acord cu predictiile teoretice; un articol stiintific este planificat pentru trimitere spre publicare in 2026. A fost initiata si analiza setului de date mai extins din Run 2.
In paralel, masurarea raportului de ramificatie al dezintegrarii K+→π+e+e- a inceput pe datele din Run 2. Aceasta dezintegrare serveste drept canal de normalizare pentru masurarea π0→e+e-; cu statisticile din Run 2, au fost deja observati peste 105 candidati (figura de mai jos, dreapta), permitand o determinare imbunatatita a ambelor rate de dezintegrare.

Distributii E/p Distributia m_piee reconstruita

Stanga: Distributii E/p pentru traseul pionului cu MC implicit (stanga) si MC emulat LKr (dreapta). Dreapta: Distributia mπee reconstruita pentru candidatii K+→π+e+e- cu mee > 140 MeV/c2.

VI. DRD1 – Studii de castig al gazului in tub (straw)

In cadrul Colaborarii CERN pentru Cercetare si Dezvoltare a Detectorilor (DRD1) dedicata tehnologiilor de detectori gazoşi, echipa IFIN-HH a construit o incinta termica pentru studiul gainului gazului in functie de temperatura. Sistemul permite corectia proactiva a variatiilor de gain prin ajustarea automata a tensiunii inalte via sistemul de control al tuburilor; controalele software sunt planificate pentru implementare in 2026.

Publicatii si prezentari

Prezentari

Publicatii