Poszukiwanie efektów związanych z ciemną materią w eksperymencie WASA@COSY Marcin Berłowski
Plan prezentacji Motywacja WASA@COSY Układ doświadczalny Wyniki Przyszłość
Ciemna materia Nieujęta w Modelu Standardowym Oddziaływująca tylko grawitacyjnie Widoczna w krzywych rotacyjnych galaktyk i w obrazach soczewkowania grawitacyjnego
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=10-200 MeV [arXiv:hep-ph/0607094]
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:1104.2747
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
Współpraca WASA@COSY 26 instytucji z całego świata w tym 4 z Polski Około 200 uczestników COoler SYnchrotron zlokalizowany przy Forshungszentrum Juelich, Niemcy
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)
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
Detektor przedni
Detektor centralny
Ciekła tarcza Zestalony wodór lub deuter Częstotliwość 8-10 kHz Średnica kropel 25-35 μm Rozpędzane do prędkości 80 m/s COSY
Komora dryfowa 1738 rurek w 17 warstwach Średnica rurek od 4 do 8 mm Wypełnione CO2 i argonem Pole magnetyczne 1 Tesli Zasada działania:
Kalorymetr elektromagnetyczny Pokrywa większość przestrzeni kątowej 1012 kryształów CsJ(Na) długości od 20 do 30 cm (~16 X0)
Wyniki
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
Sygnatura bozonu U (symulacja) Masa U = 200 MeV Masa U = 100 MeV BR(η → γU) = 10⁻⁴, BR(U → e⁺e⁻) = 1
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:1304.0671]
Stała sprzężenia ε2 vs masa bozonu U „Search for a dark photon in π⁰ → e⁺e⁻γ decay” [arXiv:1304.0671]
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
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 ηe+e-, ale tu mamy znacznie mniejsze dostępne statystyki [arXiv:0704.3498]
Rozpady leptonowe mezonu Częstość rozpadów: → 39% 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
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
Krzywa akceptacji trygera Przypadki bez flagi trygera Przypadki z flagą trygera Na podstawie depozytów energii w połówkach kalorymetru wyznaczono krzywą akceptacji trygera
Dane pp→pp(→) IMγγ MMpp Przypadki dwufotonowe Służył wyznaczeniu normalizacji πº η Dane MMpp η
→ Dane MC ~5,9·107 η η πº Liczba wyprodukowanych mezonów η równa: z błędem systematycznym 15%
MCeeγ Pary e+e- w danych Pary e+e- Dane na wstępnym etapie analizy Fotony wirtualne przekształcające się w pary lubią mieć małe masy
Przypadki z małymi masami pary e+e- pp→pp(→e+e-) πº η η Dane Przypadki z małymi masami pary e+e-
Konwersja fotonów w rurze wiązki 60 mm Dane MCeeγ MCγγ
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
→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
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
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
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)
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
Dziękuję za uwagę...