Hadronische Physik mit dem KLOE-Detektor · Stefan E. Müller Laboratori Nazionali di Frascati INFN...
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Stefan E. MüllerLaboratori Nazionali di Frascati
INFN
Hadronische Physik mit dem
KLOE-Detektor
XXXVII. Arbeitstreffen Kernphysik
Schleching, 2.-9. März 2006
(für die KLOE Kollaboration)
Überblick:
ÿ DAFNE/KLOEÿ Physik mit skalaren Mesonen:
• fÆf0(980)gÆp+p-g• fÆf0(980)gÆp0p0g
ÿ h Physik:• Messung der h-Masse• hÆp0gg
ÿ Datennahme außerhalb der f-Resonanz
DEAR,
(Double Annular F-Factory for Nice Experiments)
DAFNE:
Gesamte Datennahme in 2004-05: 2fb-1
e+e- - Speicherring mit =mFª1.0194 GeVs
KLOE:(KLOng Experiment)
Magnetfeld 0.52 T
12582 Signaldrähte52140 Drähte gesamt
Impulsauflösung für Spuren:sp/p ª 0.4% (q > 45°)
Vertexauflösung:sxy ª 150 mm, sz ª 2 mm
Driftkammer
Pb/Szint Fasern4880 PM
Energieauflösung:
sE/E = 5.7%/÷E(GeV)
Zeitauflösung:
sT = 54 ps/÷E(GeV) ⊕ 50 ps
Electromagnetisches Kalorimeter
KLOE Physik:
JP =
f(1020)
g
ga0(980)
f0(980)
h(550)
h'(960)
g
g w(780) r(770)
KK
p0 p
0-0-1-1-
0+0+
BR 15%
pp g
BR 83%
BR 1.3%f0(600)
g
p0
Skalarmesonen@KLOE:
I=0: e+e-Æ f Æ ( f0(980)+s(600) ) g Æ p0p0g Æ 5 g [Phys. Lett. B 537 (2002) 21] e+e-Æ f Æ ( f0(980)+s(600) ) g Æ p+p- g
I=1: [Phys. Lett. B 536 (2002) 209] e+e-Æ f Æ a0(980) g Æ hp0g hÆgg fi 5 g hÆp+p-p0 fi p+p- + 5 g
• schwer zu deuten als Mesonen (3P0 Nonett)
• weitere Interpretationen: Zustände (Jaffe ’77) Moleküle (Weinstein-Isgur ’90)
• Fit des Massenspektrums oder des Dalitzplots zur Bestimmung der relevanten Parameter (Massen, Kopplungen, ...) und damit Festlegung des zugrunde- liegenden Modells
• Welche Rolle hat das s(600)?
qqqqKK
Skalarmesonen@KLOE:
Sf
g
gfSggSP1P2
P1
P2e+
e-
gfKKgSKKgSP1P2
Sf
g
P1
P2
K+
K-
e+
e-
1. Kaon-Loop K-L (Achasov-Ivanchenko, NPB315
1989): Für jedes Skalarmeson S gibt es dreifreie Parameter im Fit: gSpp, gSKK, MS
2. No-Structure N-S (Isidori -Maiani):BW-Amplitude mit massenabh. Breite +polynomischer Kontinuumsuntergrund:gfSg, gSpp, gSKK, MS + pol. Parameter fürUntergrund
Für die skalare Amplitude werden im Wesentlichen zwei Modelle betrachtet:
fÆf0(980)gÆp+p-g:
Suche nach f0(980) ‡ p+p- in p+p-gEreignissen mit Photonen unter grossenWinkeln zur Strahlachse (450< qg <1350):
Untergrundprozesse:
Man erwartet eine Interferenzzwischen FSR- and f0-Amplitude
• e+e-Æ p+p-g via ISR (rad. return nach r,w)• e+e-Æ p+p-g via FSR• fÆ(rÆpg)p
f0(980)
rp-Region
r, w ISR
6.7x105 Ereignisse aus 350pb-1
Erei
gniss
e/1.
2MeV
M(pp) (MeV)
f0(980) region
M(pp) (MeV)
†
dsdm
=dsdm
Ê Ë
ˆ ¯
ISR +FSR+ rp
+dsdm
Ê Ë
ˆ ¯
Skalar+
dsdm
Ê Ë
ˆ ¯
inter.Skalar +FSR
+Untergr.(p+p-p0+m+m-g)Er
eign
isse/
1.2M
eV
fÆf0(980)gÆp+p-g:
Even
ts
Mpp (MeV) Mpp (MeV)
Mpp (MeV) Mpp (MeV)
Fit in 490 Bins (1.2 MeV)zwischen 420 und 1010 MeV:
1.2-2.0-gffg (GeV)
2.6-4.42.2-2.8R=g2fK+K-/ g2
fp+p-
0.9-1.13.0-4.3gfp+p- (GeV)1.6-2.35.0-6.3gfK+K- (GeV)973-981980-987Mf0(MeV)
N-SK-LParameter
Even
ts
• Gute Beschreibung von Signal und Untergrund in beiden Fällen• negative Interferenz zwischen f0 und FSR• In beiden Fällen R>1• Ein zusätzliches s(600) zeigt keine deutliche Verbesserung des Fits
ISR-Untergrund mit Kühn-Santamaria -Parametrisierungbeschrieben[Z. Phys. C48 (1990), 445]
[Phys. Lett. B 634 (2006) 148]
fÆf0(980)gÆp+p-g:
Mpp (MeV) Mpp (MeV)
zoom
• Datenr MC: ISR+FSR˙ MC: ISR+FSR + f0 (Kaon Loop)
p+p- system: A(ISR): C = -1 A(FSR), A(f0): C= +1
fi Man erhält eine Asymmetrie in
AFB
AFB
Kaon-LoopVorhersage
2002 Scan(je 5-7pb-1)
on-peakDaten
Diese Asymmetrie und die Untersuchung des int. Wirkungsquerschnitts als Funktion von √s erlauben weitere Rückschlüsse auf die Natur des f0-Mesons.
†
AFB Mpp( ) =N(q+ > 90o) - N (q + < 90o)N (q + > 90o) + N(q+ < 90o )
Mpp( )
√s
Czyz, Grzelinska, Kühn, hep-ph/0412239
fÆf0(980)gÆp0p0g:
rp,wp
Mpp2(GeV2)
Mpg
2 (GeV
2 )
f0g
Untergrund von e+e-Æ(wp+rp) rp,wp: nicht-resonantes Verhalten
f0g: resonantes Verhalten
Energiescan: s als Funktion von √sEreignis-Selektion:• 5 “prompte” Photonen• Kinematischer Fit unter Ausnutzung von p0-Massen und 4-Impulserhaltung
Hohe Statistik (450 pb-1) erlaubt Bestimmung der Modellparameter durch einen Fit des gesamten Dalitzplots
fÆf0(980)gÆp0p0g:Fitfunktion:
†
dsdm
=dsdm
Ê Ë
ˆ ¯
VMD+
dsdm
Ê Ë
ˆ ¯
Skalar+
dsdm
Ê Ë
ˆ ¯
inter
w g
e+
e- r/r’/r’’
p2(1)
p1(2)f/w/w’/w’’
r g
e+
e-
p2(1)
p1(2)
VMD Diagramme
(Kaon-Loop-Parametrisierung von N. N. Achasov und A.V. Kiselev [hep-ph:0512047])
450pb-1 (KLOE 2001-2002) fi 400k Ereignisse: KLOE Prelim.!
• Parametrisierung für s(600) und aus [hep-ph:0512047] •10 freie Parameter im Fit: 7 für VMD + 3 für f0(980) • Weglassen des s(600) verschlechtert das Fit-Ergebnis!
1.Fehler: Statistischer Fehlerdes Fits2. Fehler:Modellunsicherheit
†
dBKK,dB
pp
Letzte Tests bezüglich der Systematiken des Fits mit K-L-Parametrisierung in Arbeit.fi Nächster Schritt: Fit der Daten mit N-S-Modell
h - Physik mit KLOE:
f Æ h g Æ p+p-p0g Æ p+p-ggg
f Æ hg
Eg (MeV)
h durch Übergang fÆhg erzeugt
Monochromatisches Rückstoß-photon erlaubt Ereignis ID
ÿERückstoß(h) = 363 MeV Sehr sauberes h Sample
Messung der h-Masse
Mgg (MeV)
m = ( 547.708 ± 0.014 ) MeVs = ( 2.143 ± 0.012 ) MeV
m = ( 134.956 ± 0.018 ) MeVs = ( 1.66 ± 0.005 ) MeV
c2/ndf = 304/257
p0
c2/ndf = 146/161E1<E2<E3
Mgg (MeV)
Mgg (MeV)
h
p0
h
• Kinematischer Fit für fÆ(h,p0)gÆggg Ereignisse• h und p0 in unterschiedlichen Regionen des Dalitzplots
Fit mit2 Gaussf.
Messung der h-MasseJuni 2005: Neue Messung der h-Masse durch die GEM Collaboration
(COSY, Jülich) [M. Abdel-Bary et al., Phys. Lett. B 619 (2005) 281]
Mh = ( 547.311 ± 0.028 ± 0.032 ) MeV/c2
(Reaktion: p + d Æ 3He + h)
Starke Diskrepanz mit NA48![A. Lai et al., Phys. Lett. B 533 (2002) 196]
Mh = ( 547.843 ± 0.030 ± 0.041 ) MeV/c2
(Reaktion: p- + p Æ h + n, h Æ 3p0 )
KLOE prel.:[nach Mittelung über unterschiedliche Run-Perioden]
Mh = ( 547.822 ± 0.005 ± 0.069 ) MeV/c2
Abweichung von NA48: 0.24s
Endgültige Bestimmung der systematische Effekte (Fluktuationen in √s, Vertexposition, etc.) in Arbeit.
M4g (MeV)
hÆp0gg
Das Signal wird aus den 4 niederenergetischen Photonen gebildet.
fÆhgp0ggÆ 4g fi M4g
Erad=363 MeV} 5g Endzustand
Untergrund:• hgÆp0p0 p0g
fi Unterdrückung von Ereignissen mit Photon- verlust oder “merged clusters”
• f0gÆp0p0g; a0gÆhp0g; wp0Æp0p0gfi Überprüfung aller Photonkomb. auf Präsenz von h,w oder zusätzlichem p0 im Ereignis
Der Prozess erlaubt die Überprüfung von Chiraler Störungstheorie in höhererOrdnung: Die relevanten Terme beginnen bei O(p6)
BR(hÆp0gg) = ( 8.4 ± 2.7stat ± 1.4syst ) ·10-5Prelim.:
Aus Vergleich des M4g-Spektrums für Daten und MC:
735 evts selected fi Sign. = 68 ± 23; Bkg= 667 ± 36
Normalisierung zu N(hÆp+p-p0):
hÆp0gg
Crystal Ball(2004)
GAMS(1984)
KLOE
KLOE 1sKLOE 2sKLOE 3sO(p6) Rechnugen
• Faktor ~ 10 niedriger als GAMS • Marginale Übereinstimmung mit Crystal Ball• Gute Übereinstimmung mit O(p6) Rechnungen
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
PoP-Programm:
ÿ f Scan
4 Punkte im Energiebereich zwischen 1010 und 1030 MeV mit je 10pb-1
ÿ Datennahme unterhalb der f-Resonanz
200pb-1 bei 1000 MeV Schwerpunktsenergie
• Kalibration der Detektorenergie, f Lineshapes• Bestimmung der Modellabhängigkeit des f0• BR(fÆwp0), leptonische Zerfallsbreiten des f
• Messung des hadr. Wirkungsquerschnitts s(ppg) bis zur 2p-Schwelle • Photon-Photon-Physik mit KLOE: e+e-Æ e+e-(ggÆs,h)
PoP-Programm:
Run
÷s (
MeV
)
F F
÷÷s = 1023s = 1023
÷÷s = 1030s = 1030
÷÷s = 1018s = 1018
÷÷s = 1010s = 1010
÷÷s = 1000s = 1000
Ende Märzf scan „off peak“
Run Nr.
PoP-Programm:Ein erster Blick auf die Daten...
- √s=1020 MeV- √s=1000 MeV
…Fortsetzung folgt!
mmg
ppg
ppp
Prelim
inary
!
Zusammenfassung:Untersuchungen der Eigenschaften des f0(980) mit Daten aus 2001-2002:
• Deutliche Evidenz von f Æ f0g Æ p+p-g sowohl im Mpp -Spektrum als auch in der Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie. Fit des Spektrums mit verschiedenen Modellen. [Phys. Lett. B634 (2006) 148]• Erste (vorläufige) Ergebnisse im Kanal f Æ f0g Æ p0p0g über einen Fit des Dalitzplots mit Kaon-Loop-Modell.
DAFNE als h-Fabrik:• Messung der h-Masse: Vorläufiges Ergebnis in Übereinstimmung mit NA48• BR(hÆp0gg): Vorläufiges Ergebnis von KLOE niedriger als frühere Messungen
Perspektiven für die nächste Zukunft:• 2fb-1 an Daten aus 2004-2005 bringen Verbesserungen in Statistik und Systematik • Daten aus Energiescan und bei √s=1000 MeV erlauben Bestimmung systematischer Effekte sowie Messungen von gg-Prozessen
Perspektiven für die fernere Zukunft (2011): DAFNE2
• Super-f-Fabrik bei √s=1.02 GeV ?• √s=2-2.4 GeV (Nukleon-Formfaktoren)?• Energiescan zwischen 1 - 2.4 GeV (R-Verhältnis)?
s(e+e-Æp+p-) mit ISR:• s(e+e-Æ Hadronen) geht in das Dispersionsintegral für am
hadr ein:
†
amhadr =
14p 3 dss Hadr s( )K
4m p2
•
Ú s( )Ê
Ë Á
ˆ
¯ ˜
• Beitrag vom p+p- Kanal zu amhadr beträgt ca. 70%!
†
K(s) µ1 s
• Ausnutzung des Prozesses s(e+e-Æ p+p-gISR) und Abstrahlfunktion H(Mpp)2
erlaubt Messung von spp bis zur Schwelle 4mp2:
H(Mpp)2 aus PHOKHARA-MC-Generator (Kühn, Czyz et al).
• Bis zu 3s Diskrepanz zwischen (SM)-Theorie und Experiment (BNL g-2 Exp.)
s(e+e-Æp+p-) mit ISR:Photonen unter kleinen Winkeln
(qg< 150o oder qg >165o)
Photonen unter großen Winkeln(50o < qg < 130o)
Æ Photon NICHT detektiert!
Æ mit Photon Detektion
• Hohe Statistik für ISR• FSR Beitrag < 0.5%• weitere Untergrundkanäle unterdrückt (eeg,mmg,ppp)
• Messung bis zur 2p-Schwelle möglich• Hoher Anteil von FSR und Untergrund• Erlaubt Messung der C-Asymmetrie
s(e+e-Æp+p-) mit ISR:Kleinwinkelanalyse:
Mpp 2(GeV2)
KLOE data 2001Lint = 140 pb-1
Einfluss auf am
am - 11 659 000 · 10-10
Experiment E821
DEHZ’03 [e+e-]
DEHZ’03 [t ]
Enthält CMD-2 undKLOE-Messung
A. Höcker @ ICHEP04: hep-ph/0410081
Theorie:DEHZ’04 [e+e-]
Phys. Lett. B606, 12 (2005)
• Update mit 2002 Daten in Arbeit (Verbesserung des syst. Fehlers!)• Normalisierung mit mmg begonnen ËMessung des R-Verhältnisses R=s(ppg)/s(mmg)
s(e+e-Æp+p-g) :• Sowohl Pionspuren als auch Photonen unter Winkeln 50o-130o selektiert• Mind. ein Photon mit Eg>50 MeV
p+p-g – MC
p+p-p0 – MC
m+m-g - MC
Mpp2 [GeV2]
Mtr
k [M
eV]
mp
mm
mr2
Untergrund: e+e Æ e+e-ge+e Æ m+m-gf Æ p+p-p0
• Bhabha-Ereignisse können mit einer auf EMC-Informationen basierenden PID unterdrückt werden• Unterdrückung von m+m-g und p+p-p0 mit Hilfe von Schnitten auf kinematische Variablen (Mpp
2, Mtrk)• Abschätzung der Anzahl der übrigen m+m-g mit MC• Weitere Unterdrückung von p+p-p0 Ereignissen mit
• Schnitt auf den Winkel W zwischen • Kinematischem Fit in p+p-p0 Hypothese
†
r p g und r
p miss = -(r p + +
r p -)
p+
p-
misspr
ãpr
W
g
s(e+e-Æp+p-g):
2002 DataL = 240 pb-1
Mpp2 [GeV2]
KLOE preliminary
Spektrum bis zur Schwelle!
dN/dMpp2 Spektrum nach Selektionsschnitten und
Untergrund-unterdrückung:
†
ds ppg
dMpp2 =
Nobs -N bkg
DMpp2 ¥
1eSelect.
¥ 1 L
Wirkungsquerschnitt:
• Luminositätsbestimmung aus Großwinkel-Bhabha-Ereignissen
• Bestimmung der Selektions- effizienzen weit fortgeschritten
• Reduzibler Untergrund gut unter Kontrolle
• Irreduzibler Untergrund (f0g, rp, FSR,...) bedarf weiterer Anstrengungen
Ë „Off-Peak“-Datennahme!