Poszukiwanie efektów związanych z ciemną materią w eksperymencie

Prezentacja na temat: "Poszukiwanie efektów związanych z ciemną materią w eksperymencie"— Zapis prezentacji:

1 Poszukiwanie efektów związanych z ciemną materią w eksperymencie WASA@COSY
Marcin Berłowski

2 Plan prezentacji Motywacja WASA@COSY Układ doświadczalny Wyniki
Przyszłość

3 Ciemna materia Nieujęta w Modelu Standardowym
Oddziaływująca tylko grawitacyjnie Widoczna w krzywych rotacyjnych galaktyk i w obrazach soczewkowania grawitacyjnego

4 Ciemna materia Poszukujemy hipotetycznego bozonu U, który może pośredniczyć w anihilacji cząstek ciemnej materii Proste rozszerzenie Modelu Standardowego o symetrię U’ ze stałą sprzężenia ε Linia 511 keV z okolic centrum Galaktyki zmierzona w eksperymencie INTEGRAL Wprowadzenie takiego bozonu związane z chęcią wyjaśnienia nadwyżki widzianej w wielu eksperymentach (PAMELA, ATTIC, …) Masa U= MeV [arXiv:hep-ph/ ]

5 γcτ~1mm(γ/10)(10-4/ε)2·(100MeV/mU)
Ciemna materia Droga, czas życia: γcτ~1mm(γ/10)(10-4/ε)2·(100MeV/mU) Ograniczenia w przestrzeni ε vs mU pochodzące z wielu różnych eksperymentów: od astrofizyki poprzez eksp. typu beam-dump i rozpady cząstek aż do pomiaru stałych fizycznych arXiv:

6 Ciemna materia Bozon wektorowy (ciemny foton)
Jego sygnatura powinna objawić się w rozpadach Dalitza mezonów pseudoskalarnych Dwie metody poszukiwań: widmo masy e+e- pochodzących z rozpadów Dalitza oraz widmo masy fotonów z tych rozpadów

7 Współpraca WASA@COSY 26 instytucji z całego świata w tym 4 z Polski
Około 200 uczestników COoler SYnchrotron zlokalizowany przy Forshungszentrum Juelich, Niemcy

8 Eksperyment WASA@COSY
Pierścień akumulujący o obwodzie 184 m dla protonów i deuteronów Cząstki o Emax=3,7 GeV Duża świetlność (do 1032 cm-2s-1)

9 WASA – Wide Angle Shower Apparatus
Układ detekcyjny WASA WASA – Wide Angle Shower Apparatus Składa się z trzech głównych części – tarczy kropelkowej, detektora centralnego i detektora przedniego

10 Detektor przedni

11 Detektor centralny

12 Ciekła tarcza Zestalony wodór lub deuter Częstotliwość 8-10 kHz
Średnica kropel μm Rozpędzane do prędkości 80 m/s COSY

13 Komora dryfowa 1738 rurek w 17 warstwach Średnica rurek od 4 do 8 mm
Wypełnione CO2 i argonem Pole magnetyczne 1 Tesli Zasada działania:

14 Kalorymetr elektromagnetyczny
Pokrywa większość przestrzeni kątowej 1012 kryształów CsJ(Na) długości od 20 do 30 cm (~16 X0)

15 Wyniki

16 Dane pp→ppπ° Zebrane były przy energii 550 MeV (poniżej progu na produkcję π+π-) Dwa tygodnie naświetleń Największa światowa próbka 5·105 rozpadów π°→γe+e- (SINDRUM ~105) Szukano U→e⁺e⁻ w widmie e+e- z π°→γe+e- Opublikowano limit na U→e⁺e⁻ w Phys. Lett. B 726 (2013), 187

17 Sygnatura bozonu U (symulacja)
Masa U = 200 MeV Masa U = 100 MeV BR(η → γU) = 10⁻⁴, BR(U → e⁺e⁻) = 1

18 Rozpad Dalitza mezonu π°
· Dane --- MC suma --- MC π⁰ → e⁺e⁻γ (BR=1,2%) --- MC konwersja zewnętrzna --- MC π⁰ → e⁺e⁻γ plus fałszywe e⁺ z π⁺ „Search for a dark photon in π⁰ → e⁺e⁻γ decay” [arXiv: ]

19 Stała sprzężenia ε2 vs masa bozonu U
„Search for a dark photon in π⁰ → e⁺e⁻γ decay” [arXiv: ]

20 Mezon  Masa ok. 550 MeV/c2 Duża masa (w porównaniu z mezonami ) związana z domieszką kwarków dziwnych Długi czas życia, gdyż wszystkie kanały rozpadu są w jakiś sposób zabronione

21 Ciemna materia Wyniki kolaboracji KTeV świadczące o 3,3σ odchyleniu pomiaru stosunku rozgałęzień dla rozpadu π°e+e- Podobny efekt mamy szansę zaobserwować w rozpadzie ηe+e-, ale tu mamy znacznie mniejsze dostępne statystyki [arXiv: ]

22 Rozpady leptonowe mezonu 
Częstość rozpadów: → % eksp →e+e- ~0,7% eksp →e+e- ~?10-9? teor Rozpad →e+e- jest szczególnie ciekawy i ważny, gdyż nigdy nie był zaobserwowany, są dla niego tylko obliczenia teoretyczne, a jakiekolwiek oddziaływania spoza modelu standardowego mogą zwiększyć częstość tego rozpadu

23 Zebrane dane i system wyzwalania
Dane zbierano jesienią 2008 w reakcji pp→pp przy energii 1,4 GeV W ciągu dwutygodniowego eksperymentu zebrano około 150 milionów wszystkich przypadków System wyzwalania (tryger) wykorzystywał specyfikę reakcji i wymagał dużego depozytu energii w obu połówkach detektora Działa on bardzo podobnie dla każdego z rozpadów leptonowych Ilustracja działania trygera

24 Krzywa akceptacji trygera
Przypadki bez flagi trygera Przypadki z flagą trygera Na podstawie depozytów energii w połówkach kalorymetru wyznaczono krzywą akceptacji trygera

25 Dane pp→pp(→) IMγγ MMpp Przypadki dwufotonowe
Służył wyznaczeniu normalizacji πº η Dane MMpp η

26 → Dane MC ~5,9·107 η η πº Liczba wyprodukowanych mezonów η równa:
z błędem systematycznym 15%

27 MCeeγ Pary e+e- w danych Pary e+e- Dane na wstępnym etapie analizy
Fotony wirtualne przekształcające się w pary lubią mieć małe masy

28 Przypadki z małymi masami pary e+e-
pp→pp(→e+e-) πº η η Dane Przypadki z małymi masami pary e+e-

29 Konwersja fotonów w rurze wiązki
60 mm Dane MCeeγ MCγγ

30 Konwersja fotonów w rurze wiązki
+ Dane --- MC η→γγ --- MC η→e⁺e⁻γ --- MC suma Rozkłady masy niezmienniczej par e+e- pochodzących z danych, przed i po redukcji konwersji

31 →e+e- - konkluzje Dobra zgodność widzianej ilości rozpadów w tym kanale z kanałem normalizacyjnym → Pozwolił on nam wypracować odpowiednie metody analizy służące: identyfikacji i pomiarowi elektronów zrozumieniu konwersji fotonów w rurze wiązki zbadaniu odpowiedzi detektora na elektrony o różnych energiach

32 Poszukiwanie →e+e- - spodziewane procesy tłowe
pp→pp+- 100 razy większy przekrój czynny niż na produkcję mezonu η W stanie końcowym dwie naładowane cząstki →e+e- Foton może mieć bardzo małą energię i opuścić detektor bez śladu pp→p∆(1232)→pp(*→e+e-) Taki sam stan końcowy jak w naszej reakcji Udział innych procesów fizycznych okazał się nieznaczący w porównaniu z powyższymi reakcjami

33 Poszukiwanie →e+e- - sygnatura reakcji (symulacja)
X MC pp→pp+- pp→pp(→e+e-) Przykład sposobu rozróżniania elektronów od pionów na podstawie ich depozytu energii w kalorymetrze elektromagnetycznym

34 Analiza – ostateczne wyniki
Nie znaleziono żadnego przypadku →e+e- w naszej próbce danych. Pozwoliło to wyznaczyć górną granicę stosunku rozgałęzień równy <2,1·10-6 przy poziomie ufności 90% Wynik ten, po uwzględnieniu poprawki na statystykę Poissona dla małej ilości przypadków oraz dominujący błąd systematyczny wynikający z normalizacji, przekształca się w: 3,9·10-6 przy poziomie ufności 90% (dotychczasowy wynik w bazie danych PDG 5,6·10-6 Eur.Phys.J. A48 (2012) 64)

35 Podsumowanie i trochę o przyszłości...
Zebrano próbki odpowiadające ~6·107 rozpadów mezonu  oraz ~109 rozpadów neutralnych pionów Zaobserwowano i zmierzono kilka różnych leptonowych kanałów rozpadu mezonów  i π° Wyznaczono lepsze limity na stosunek rozgałęzień →e+e- oraz ograniczenie na ε dla bozonu U Praca o U w π⁰→e⁺e⁻γ została opublikowana, w przygotowaniu jest artykuł podsumowujący wyniki uzyskane w doktoracie Analiza większej statystyki (x8) rozpadów mezonu  oraz π⁰ (x4) jest i będzie kontynuowana

36 Dziękuję za uwagę...