Relazione dal Comitato Scientifico del PSI (Dipartimento “Particelle e Materia”)

Catania – 3 luglio 2006

Relazione dal Comitato Scientifico del PSI 1

Relazione dal Comitato Scientifico del PSI

(Dipartimento “Particelle e Materia”)

Patrizia Cenci Sezione INFN di Perugia

Riunione CSN1 INFNCatania, 3 luglio 2006



Il PSI Il Paul Scherrer Institute è il maggiore laboratorio

nazionale svizzero (~ 1200 dipendenti) finanziato principalmente con fondi pubblici

E’ un centro di ricerca scientifica e tecnologica multidisciplinare, la cui priorità è la ricerca fondamentale e applicata: fisica delle particelle elementari e astrofisica fisica dello stato solido e scienza dei materiali biologia e medicina ricerca energetica e scienze ambientali



Ricerca al PSI

Dipartimenti di ricerca:Dipartimenti di ricerca: Particelle e Materia:

particelle elementari, astrofisica, radiochimica,fasci di ioni Radiazione di Sincrotrone, micro e nanotecnologie:

attività presso la facility per luce di sincrotrone: Swiss Light Source Materia condensata con Neutroni e Muoni:

scattering di neutroni, produzione di neutroni di spallazione, spettroscopia dello spin muonico

Scienze Biologiche: medicina (adroterapia con protoni), radiofarmacologia (radionuclidi),

ricerca biomolecolare (c/o SLS) Energia Nucleare e sicurezza:

fisica dei reattori nucleari e comportamento dei sistemi; idraulica termica; comportamento dei materiali; smaltimento delle scorie; analisi dei sistemi energetici

Energetica generale: cicli di energia e materiali (riciclaggio dei materiali e risorse

rinnovabili), tecnologia solare; combustione; elettrochimica; chimica atmosferica Il Dipartimento delle “Large Research Facilities”Dipartimento delle “Large Research Facilities” si

occupa del supporto tecnico e dello sviluppo delle macchine dell’intero complesso sperimentale del laboratorio



Dipartimento “Particelle e Materia”

Include 4 Laboratori: Fisica delle Particelle: sperimentale e teorica;

esperimenti all’acceleratore di protoni del PSI con fasci intensi a bassa energia di pioni, muoni e neutroni; al CERN (CMS) e a DESY (H1).

Astrofisica: teorica e osservazionale; ricerca strumentale e tecnologica per lo spazio.

Radiochimica e chimica ambientale: studi chimici e nucleari di elementi pesanti, processi chimici di superficie per chimica atmosferica, atmosfera del passato e ricostruzioni climatiche, caratterizzazione delle scorie nucleari.

Fisica con fasci di ioni: datazione con carbonio, ricerca climatica con radioisotopi a lunga vita media, sviluppo di nuovi spettrometri di massa

Progetto UCN: sorgente di neutroni ultra-freddi

Comitato Scientifico



Il fascio di protoni al PSI

Ring Cyclotron: 590 MeV,

2 mA DC, 1.2 MWUpgrade 3 mA, 1.8

MW

Cockcroft Walton 872 KeV

Facility di adroterapia

I 1 nA

Ciclotroni iniettoriI1 e I2, 72 MeV

Bersagli per la produzione di π e μ: M (5mm grafite, 2 linee fascio) E (40mm grafite, 5 linee fascio)

Sorgente UCN:n ultrafreddi

SINQ: Spallation Neutron Source



Fisica adronica a basse energie (test di ChPT): Misura di width (al 1-2%) e shift (al 0.2%) dello stato fondamentale

nell’ idrogeno pionico (in conclusione, ora: proposta per deuterio pionico)

interazioni π-n: fisica adronica a basse energie determinazione della ampiezza di scattering π-nucleone all’ 1% misura della costante di accoppiamento π-n e di effetti di isospin misure di posizione e energia (CCD)

Riunione Comitato Scientifico:

progetti con fasci di π

EK = 2.5 keV

strong interaction observable

as shift and broadening 1s + 7 eV attractive

1s 1 eV

2 isospin scattering length

a = a-p-p a+p+p

isospin invariance: mu = md

a-p-p + a+p+p = - 2 a-pon

1s = + 7.120 0.008 0.006 eV (

0.2%)

H: ChPT 3rd order

40000 eventi attesa 1s / 1s 1.5%



Test dello SM delle WI dalla misura delle proprietà del π

Esp. PIBETA (concluso): misura di precisione di BR(+→0e+) Esp. PIBETA (seconda fase, proposta nel 2004): studio della

anomalia del decadimento +→e+ approfondimento e ampliamento del programma PIBETA misurate in +→e+ significative deviazioni (20%) dalla forma

standard V-A delle WI nella regione cinematica ad alte-E /basse-Ee+ non spiegabili con effetti sistematici noti dati in altre 2 diverse regioni cinematiche compatibili con le

attese teoriche, e con migliore S/B proposta nuovo esperimento: ottimizzazione della presa dati e

del rivelatore PIBETA (rate minore, migliore S/B, bersaglio semplificato) e ripetizione delle misure di +→e+ in modo da chiarire la situazione

Misura di precisione di BR(+→e+) (proposto nel 2005) test di precisione dello SM nel settore WI fisica BSM

Riunione Comitato Scientifico:

progetti con fasci di π



Esperimento PIBETA

Scopo: misura del rate del decadimento +→0e+ con precisione <0.5%

Statistica dati (1999-2000-2001): 2.2 x 1013 pioni

Risultati: BR=(1.034 0.004stat0.007syst )x10-8 (1984: BR=(1.026

0.039)x10-8)

Vud = 0.9716(39) (PDG: 0.9734(8))→ in accordo con SM e unitarietà CKM

Eventi +→e+• studi di fondo e canale di normalizzazione (S/B > 250) • calcolo e misura del BR con precisione di ≤ 10-3 → test dello SM

Decadimenti radiativi +→e+ • : da IB (QED) + struttura del → fattori di forma FA/FV (ChPT)

FA/FV = 0.443(15), FA = 0.0115(4) con FV= 0.0259 • studio di termini non (V-A) nelle Interazioni Deboli (anche +→e+)• deviazioni da V-A nella regione cinematica alte-E/basse-Ee+

• dati compatibili con fattore di forma tensoriale FT non nullo



Esperimento PIBETA(seconda fase)

Proposta nel 2004 nuova serie di misure del processo +→e+γ per chiarire i risultati della prima fase dell’esperimento

Risultati della analisi dei dati del 2004:

Termine tensoriale: FT = (0.08 ± 3.95) x 10-4 FT < 5.1 x 10-4 (90%CL)

Inoltre: misure di precisione di →eγ (4.2x 105 eventi ) Br(→eγ) = (4.40 ± 0.09) x 10-3 (precisione precedente al 30%) parametro di Michel: ≤ 0.033 68%CL (migliorato di un fattore 2.5)



Esperimento PEN

Proposta (2006): misura di Br(+→e+(γ)) alla precisione di ΔBr/Br ≤ 10-4 con l’apparato sperimentale PIBETA

Motivazione: test dello SM (universalità leptonica)

Competizione: nuova proposta a TRIUMF



Esperimento PEN: programma

sperimentale

Nel 2006 miglioramenti del

rivelatore esistente run di 6 settimane

a fine anno per test del rivelatore e per ottimizzare la misura

Nel 2007 analisi dei dati e

aggiustamenti del rivelatore 4 mesi di presa dati

a fine anno

Nel 2008 programma analogo

a quello del 2007

Necessari 3x107 eventi puliti, eliminazione del fondo e controllo della sistematica a livello di 10-4



Fasci di muoni al PSI

Muoni: ottime sonde per misure di fisica dello stato solido, in alternativa ai neutroni (“protoni

leggeri”) fisica delle particelle elementari (“elettroni pesanti” )

PSI: diverse linee di fascio di μ a varie intensità ed energie muoni polarizzati a bassissime energie (0-30 eV: “surface and

subsurface muons”): LMU (Laboratory for muon spin spettroscopy) Fisica dei materiali e dello stato solido: impiantazioni superficiali

tra 10-2 e 102 nm per studi di struttura della materia (campi magnetici interni locali, difetti nei cristalli e impurezze nei materiali) Processi atomici fondamentali: scambio carica, perdita di energia e

scattering nei materiali Fascio di atomi muonici: spettroscopia di precisione per test di QED

muoni ad alta intensità ed energie intermedie (≤ 125 MeV) per studi di fisica delle particelle: misura di precisione della vita media del μ, LFV, cattura atomica del μ, etc



Fisica delle particelle elementari

con fasci di muoni Fisica dei muoni ad alta energia: DIS e funzioni di struttura (Compass, esperimenti tipo xMC)

Fisica dei muoni a bassa energia e alta intensità: Fisica delle particelle elementari: proprietà del μ

• Test dello SM da misure di precisione delle proprietà del μ (es. GF a < 1% dalla misura della vita media del μ a 1 ppm)

• Fisica BSM: LFV (μ→eγ, conversione μ→e, μ→3e), misure di precisione di parametri sensibili a alte scale di massa (es. g-2), violazione di simmetrie discrete (T, CTP)

Dove: PSI, RAL, TRIUMF, BNL, LANL, Dubna, KEK, … Fasci impulsati (es. RAL):

Chiaro inizio veloce del segnale (tempo di arrivo del fascio) Minore fondo dai muoni precedenti Peggiore duty-cycle

Fasci continui (es. PSI): Rate istantaneo minore a parità di flusso Fondo/pile-up da vecchi muoni

Alte intensità (>MHz), eventi puliti (sistematica) ma: fondo



FAST: misura della vita media del μ+ (1-2 ppm) MuLan: misura della vita media del μ+ (1 ppm) con

fascio pulsato di μ creato artificialmente MuCap: misura di precisione della cattura di da p

fattore di forma del nucleone a < 10%, test di ChPT precisione sperimentale attuale ~50%, ambiguità previsioni-misure

μCR42β: cattura di μ in atomi per calcoli di precisione degli elementi di matrice nucleare dei processi 2β

Spettroscopia laser del Lamb Shift nell’idrogeno muonico:

valutazione del contributo del protone (misura del “charge-radius” del protone con precisione del 0.1%) per test di precisione di QED rp

rms: ora costante fisica fondamentale, valore attuale (0.8750 ± 0.0068) metodo: shift dei livelli energetici atomici μp (i.e. μp Lamb-shift),

attesa una risonanza μp(2S-2P) apparato sperimentale: fascio di μ-, rivelatore di radiazione X, laser

sviluppato ad hoc per indurre la transizione 2S-2P (impulsi di 6 μm)

Esperimenti con fasci di μ



p Lamb shift: principio



Misura della vita media del μ

Metodo sperimentale: prodotti in Metodo sperimentale: prodotti in π→μνπ→μν

+ e+ + e+ ~

coun

ts

time

e+

Semplice misura

di “ slope “

μ+ lifetime = 2.19703(4) s

N.B.: μ- non utilizzati perchè catturati nei nuclei

μ mass = 105.6583568(52) MeV



Misura di τμ: motivazione

GF = 1.16639(1) x 10-5 GeV-2 → indeterminazione di 9 ppm

L’ errore su GF è dominato dalla misura sperimentale di τμ

Precisione sperimentale attuale su τμ: 18 ppm Indeterminazione teorica < 0.5 ppm

Migliore misura di GF : migliore valutazione di Δr (propagatore W) test di precisione della struttura interna dello SM per le WI (settore di

Yukawa) previsioni accurate dei parametri dello SM (non solo EW: es. MH )

Esperimenti simili: PSI, RAL, TRIUMF

1

192

13

52mGFδ: correzioni radiative diQED all’ordine superiore

rM

gG

W

F 182 2

2

Δr: correzioni EW di ordine

superiore

Misura di τμ a 1 ppm (2 ps) → misura di GF a 0.5 ppm



Misura di τμ : metodo

Concetti base:

• Statistica: 1012 muoni positivi per τμ a 1 ppm (2 ps) • Sistematica: effetti dipendenti dal tempo che

deformano la curva di decadimento quali: μSR (muon Spin Rotation): gli e+ sono emessi nella direzione

dello spin del μ+, si controlla quindi la polarizzazione del μ+ con bersaglio depolarizzante, campi magnetici locali ad hoc, ricostruzione accurata della catena π→μ→e, rivelatori isotropo e/o simmetrico anisotropie o inefficienze dovute a overlap di tracce e pile-up:

rivelatori molto segmentati per la riduzione del fondo dei “vecchi” μ+ in un intervallo temporale n.τμ

effetti strumentali: efficienze di rivelazione dipendenti dal tempo, guadagni dipendenti da tempo o posizione, etc effetti fisici: formazione di muonio, effetti di stato solido

(polarizzazione) nel bersaglio, decadimenti rari del μ



Muon lifetime @ PSI: MuLAN

MuLAN (Muon Lifetime Analysis): collaborazione Berkeley, Boston, Illinois, James Madison, Kentucky

Creato artificialmente un fascio impulsato con separatori elettrostatici a 50 KHz (20 μs), rate iniziale 30 MHz, fattore di soppressione 2x10-4 : ~20 μ arrestati nel bersaglio poi fascio spento per 22 μs (~10 τμ )

Rivelatore simmetrico sferico ad alta segmentazioneμSR ridotto con campo esterno correttivo sul bersaglio e uso di diversi bersagli

depolarizzanti Analisi online attraverso WFD (FADC 8 bit, 500MHZ, double-pulse-resolution < 3ns a 10 MHz)Test e commissioning run nel 2005 (+ breve run di fisica) Dati per misura finale nel 2006-2007



170

MuLAN: il rivelatore



MuLan: risultati recenti

Misura di τμ a 137 ppm con i dati 2002

Analisi dati 2004 in corso: attesa misura di τμ a ~ 10 ppm (migliore limite attuale)

Dati 2005: ulteriori ≥ 8x108 μ ( precisione statistica a ~ 5 ppm)

Run estensivo di fisica: 2006-2007 Funzionamento del WFD nel 2005:

misura di tempo e energia di ogni impulso ben distinti 3 impulsi diversi nello stesso canale

Dati 2004preliminare

STATISTICA

PRECISIONE

STATISTICA

(1.2 ns)



Muon lifetime @ PSI: FAST

FAST (Fast Active Scintillator Target): collaborazione CERN, CIEMAT, PSI, Univ. Ginevra

Tecnica: rivelazione della catena π→μ→e con ricostruzione completa della immagine degli eventi in bersaglio attivo Rivelatore veloce ad alta granularità Fascio continuo di π+ (170 MeV/c DC, 1 MHz) arrestati in

bersaglio attivo a barre di scintillatore (4x4x200 mm3, 1536 pixel: y-z dei decadimenti), letti via guide di luce da 96 PSPM

Degradatore a monte del bersaglio per generare una distribuzione omogenea dei punti di arresto dei π nel rivelatore

Ogni μ deve essere originato da un π: ricostruzione dei 2 vertici

Finestra di lettura della catena π→μ→e di 30 μs (-10 μs20 μs) : misura di ~ 30 decadimenti sovrapposti

Raccolti dati a bassa intensità nel 2005 , messa a punto rivelatore e sviluppo DAQ nel 2006 (bassa intensità, 1011 eventi), run finale nel 2007 (alta intensità, 1012 eventi)



FAST: metodo sperimentale

La tecnica di ricostruzione completa della immagine, evento per evento, riduce l’indeterminazione sistematica: 0.3 ppm per effetti di rivelazione dipendenti dal tempo 0.2 ppm da pile-up/fondo 0.2 ppm da μSR



Fast: il rivelatore



FAST: risultati recenti

Misura della vita media del μ+ e del π+ nei dati 2005 (statistica: 0.29 x 1010 eventi)

Nel 2006: run a intensità maggiore (~1011 eventi, upgrade Trigger/DAQ)

Run finale nel 2007 (1012 eventi) by-product: vita media del π+ a 20 ppm (→ world average: 200 ppm)



Esperimento MuCap

Collaborazione MuCap: PSI; PNPI (Russia); Univ. of California at Berkeley, Univ. of Illinois at Urbana Champain, Univ. of Boston, Univ. of Kentucky (USA); TUM (Germania); Univ. Catholique de Louvain (Belgio)

p n

Scopo dell’esperimento:

• misura all’ 1% del rate di cattura Λ di da p liberi• implica una precisione <7% (3%) sul fattore di forma gp (fattore di forma pseudoscalare indotto da corrente carica debole nucleonica)

Indeterminazione teorica (Heavy Barion ChPT): 2-3%

Precisione sperimentale attuale ~50%, ambiguità teoria-misure

Stato: raccolti nel 2004+05: 4*109 μ-, 2.5*109 μ+; previsti nel 2006 1010 eventi μ- & μ+; in corso studi approfonditi di sistematica



la misura del rate di cattura ΛS è data da:

1 1

( )' ( )'s

log(counts)

time

μ+

μ –

misura della differenza dei rate di decadimento Λμ

di μ-p vs. μ+ in idrogeno gassoso (ΔΛμ/Λμ ~ 0.15%) la misura di ΛS al ±1% richiede una precisione di 10 ppm sulla misura della slope della

distribuzione→ occorrono 1010 eventi for canale μ+ & μ-

MuCap: metodo sperimentale



μSC μPWC1 μPWC2

TPC per rivelare le tracce dei μ incidenti e i punti di arresto; Magnete μSR attorno alla TPC (50 gauss verticale) per controllo effetti di spin dei μ+ polarizzati

eMWPC2

eMWPC1

eSC (Hodoscope)

μ beam

MuonDetectors

ElectronDetectors

MuCap: rivelatore



Fasci di neutroni: il SINQ

(spallation neutron source)

• Scattering di neutroni: efficace metodo per studi di struttura e dinamica della materia condensata (fisica fondamentale, fisica e chimica dello stato solido, scienza dei materiali, biologia, medicina e scienza dell’ambiente)

• SINQ: sorgente continua di neutroni ad alto flusso (~1014 n/cm2/s) prodotti per spallazione da protoni (1.3mA) su Pb: neutroni termici (moderatore: H2D, ) o freddi (moderatore: SD2 , T=-250°)

• UCN Facility: nuova sorgente per neutroni ultra-freddi (< 300 neV) moderati in SD2 in sviluppo al PSI (>1000 n/cm3, in funzione dal 2008)

• Dal 2006 primi neutroni prodotti in MEGAPIE (Megawatt Pilot Source: Europa, US-DoE, Jp, Co): sorgente di neutroni di spallazione a 1 MW con bersaglio di metallo liquido (Pb-Bi eutettico, flusso di n: x 1.3-1.4)

• Attese migliori prestazioni con l’upgrade dell’acceleratore di p (I 3 mA)



R&D per UCN: materiali perproduzione di n ultrafreddi

Misura della efficienza di produzione di UCN da SD2 e confronto con materiali criogenici come CD4 e O2: R&D per sorgente di UCN di nuova generazione (> 1000

UCN/cm3) disciplina molto attuale: raggiungere n impacchettati molto

densamente per studi di fisica nucleare di grande interesse:• fisica della struttura della materia • fisica fondamentale (precisioni maggiori nelle misure di

proprietà dei n: EDM, vita media, proprietà caratteristiche del decadimento)

questo si ottiene con materiali che abbiano buona sezione d’urto per scattering coerente, piccolo riscaldamento per emissione di fotoni (irraggiamento), piccolo assorbimento di n:

• effettuati studi di efficienza sul SD2 (moderatore in uso per UCN) raffreddato da fase gassosa, liquida o dopo cicli termici: nessuna differenza nel numero di UCN rivelati

• confronto con i materiali criogenici CD4 ed O2 (T < 4°K): produzione maggiore per SD2

R&D analoghi in corso in varie parti del mondo (i.e. USA, Giappone); nello stesso ambito finanziati anche progetti speciali UE

Vita media del neutrone: n = (885 1) s PDG04, KIAE/ILL (878 1) s PNPI/ILL (2006)



Ricerca di effetti di violazione di Time Reversal nel decadimento di neutroni liberi:

studio delle correlazioni angolari nel decadimento del n misura contemporanea delle componenti trasversali della

polarizzazione degli e- emessi nel decadimento dei neutroni liberi polarizzati (contenute nel piano perpendicolare alla polarizzazione del n iniziale): una differenza è indice di violazione di T Necessari:

• Intensa sorgente di neutroni liberi altamente polarizzati• Polarimetri efficienti per elettroni a basse energie (200-800 keV)

Difficoltà:• Sorgente di decadimenti deboli in presenza di fondo dovuto a

cattura del neutrone • Depolarizzazione degli electroni dovuta a scattering multiplo di

Coulomb nel rivelatore e nel bersaglio nessun effetto misurato ancora presa dati nel 2006 per messa a punto del rivelatore e per fisica presa

dati finale di fisica nel 2007

Esperimenti di fisica fondamentale con neutroni



Proposta di esperimento nEDM per la misura del EDM

del nContesto: • se T= simmetria esatta: EDMs di nuclei e particelle

elementari = 0 • se EDM≠ 0 sia T che P sono violate• previsione del SM delle WI: dn ~ 10-31 e cm • limite attuale del valore di EDM (2006, RAL-Sussex-

ILL): dn < 3 x 10-26 e cm C.A.Baker et al., hep-ex/0602020

6 ordini di grandezza sopra lo SM delle WI, ma già limita alcune teorie BSM il nuovo progetto: dn ≤ 10-27 e cm

• in preparazione nuovi esperimenti per la misura del EDM del neutrone (≥2008, a ILL, SNS, TUM, JPARC, PSI, …)

• in corso ricerche diverse per la misura di EDM con atomi, molecole, electroni, muoni, nuclei)



nEDM: metodo Ramsey

Tecnica proposta: metodo Ramsey dei campi oscillanti separati

• Raccolti n polarizzati (spin up e down) in una regione con campi B e E collineari

• si applica spin-flip di π/2 invertendo la direzione del campo E

• si lascia lo spin del n in precessione libera per un periodo di tempo

• si applica un nuovo spin-flip e si analizza, dopo un certo tempo, la polarizzazione del n

si genera in questo modo una figura di interferenza: le frange di Ramsey un EDM non nullo genera diverse posizioni

delle frange (ovvero frequenze di precessione) nel caso di E parallelo e antiparallelo a B il metodo è tanto più sensibile quando più

lunga è la precessione libera parametri critici: stabilità di B (mentre si

inverte E) e la sua omogeneità (sist. dominante)Indispensabile per migliorare la precisione su:

maggiore sensibilità: un maggior numero di UCN controllo della sistematica

RAB95, amp x t = 16.5, t_prec = 50 s, visibility = 0.43, correct Ramsey with two pi/2 spinflips

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

29,66 29,67 29,68 29,69 29,7 29,71 29,72

n-frequency [Hz]

cts/

cycl

e

spinup

spindown

Frange di Ramsey



nEDM: programma sperimentale

Programma previsto: • studio della tecnica sperimentale e miglioramenti dell’apparato a ILL • prima misura a ILL a fine 2006 • trasporto dello spettrometro RAL-Sussex-ILL al PSI per misura con

nuova sorgente UCN (disponibile dal 2008)• nuovo spettrometro EDM in funzione (nel 2010)

Miglioramenti dell’apparato sperimentale RAL-Sussex-ILL utilizzato a ILL per l’attuale limite:

• misura ridondante (mappa) del campo magnetico con l’uso di magnetometro a Hg addizionale installato all’interno del volume della camera degli UCN, effettuata simultaneamente alla misura del magnetometro esterno e delle frange di interferenza• miglioramento del magnetometro esterno (insieme di magnetometri

di Cs a laser, più veloci, montati esternamente alla camera UCN) • R&D per l’allineamento del CsM, i rivelatori per UCN, e tutto il set-up.

Nuova sorgente UCN: • migliore sensibilità sperimentale grazie alla maggiore statistica;

migliore controllo degli effetti sistematici, immagazzinamento dei neutroni e tempi di precessione di più di 100 secondi



spare



Il Ring Cyclotron

Ring Cyclotron a 590 MeV Ring Cyclotron a 590 MeV • si tratta di un ciclotrone a settori separati con energia di fascio fissa di 590 MeV, commissionato nel 1974

• un fascio di protoni a 72 MeV da uno dei 2 ciclotroni iniettori è inviato in un orbita al centro del Ring, accelerato per circa 220 rivoluzioni ed estratto a energia massima attraverso la linea visibile in figura• in corso upgrade per correnti di fascio di 3 mA (1.8 MW)

CaratteristicheInjection Energy 72 MeV

Extraction Energy 590 MeV Extraction Momentum 1.2 Gev/c Energy spread (FWHM) ca. 0.2 %

Beam Emittance ca. 2 pi mm x mrad

Beam Current: ~ 2.0 mA DCBeam Power: > 1 MW

Accelerator Frequency 50.63 MHz Time Between Pulses 19.75 ns

Bunch Width ca. 0.3 ns

Extraction Losses ca. 0.03 %



La sorgente

UCN al PSIDiamond-LikeCarbon coated~2 m3 trap

2 mA,600 MeVproton beam1% duty cycle

~3 m3 D2O

1.2m

solid D2 at ~5K

UCN shutter open

kick proton beam to UCN

1016 protons s-1 => 1017 neutrons s-1

CN ~ 2 x 1013 cm-2 s-1

PUCN ~ 2 x 105 cm-3 s-1

UCN = PUCN x ~ 6000 cm-3

solid D2 at ~8K after 4-8s

~ 50% UCN ~ 3000 cm-3

close UCN shutter

return proton beam

distribute UCN to experiments

UCN~6000cm-3

~ 3000 cm-3

exp> 1000 cm-3

UCN shutter

solid D2 at ~5K

PSI - Cracow - ILL – Vienna - Efremov



SLS: Luce di Sincrotrone al PSI

• La Swiss Light Source (SLS) è una sorgente di luce di sincrotrone di terza generazione. Alla energia di 2.4 GeV, fornisce fasci di fotoni di brillanza e stabilità eccezionali per ricerche in fisica dei materiali, in biologia e in chimicaCaratteristiche peculiari di SLS sono:

• ampio spettro di luce (da IR a raggi X duri)•ampia serie di sezioni lineari (brevi, medie e lunghe) che ottimizzano l’uso di diversi tipi di ondulatori•ondulatori con schemi di polarizzazione flessibile (i.e. possibilità di cambiare rapidamente polarizzazione alle frequenze del kHz) •fascio di intensità costante per gli esperimenti (iniezione top-up)•flessibilità delle proprietà ottiche dell’anello: controllo individuale degli alimentatori di ogni magnete• In corso attività per produrre impulsi X molto corti (ora: bunch di

30 ps, separati di 2 ns) nella linea di fascio FEMTO: prevista nel 2006 la

• produzione di raggi X a < 100 fs (sviluppo per il futuro X-FEL del PSI)



Prestazioni SLS

Brillanza delle

facilities RS esistenti



I Muoni

• Prodotti in π→μν (26 ns) hanno spin ½ e carica unitaria• Nel sistema di quiete del π hanno momento

magnetico antiparallelo all’impulso: possibili fasci di μ altamente polarizzati (100% per decadimenti di π in quiete)

• Sono instabili e decadono secondo μ±→e±e μ (2.2 μs)

• Il e± è emesso preferibilmente nella direzione dello spin del μ che lo genera



Esperimento PIBETA

Scopo:Scopo: misura del rate di decadimento β del pione +→0e+ con precisione < 0.5% processo debole fondamentale analogo alle transizioni pure di

Fermi nei decadimenti beta nucleari ma calcolato con minore indeterminazione teorica (< 0.15% , no correzioni nucleari) test stringente del Modello Standard: misura di Vud e test della

universalità di Cabibbo e della unitarietà della matrice CKM

Metodo sperimentaleMetodo sperimentale fascio (πE1): 2x106 +/s, 116 MeV/c, bassa contaminazione di ,e+,p + arrestati in bersaglio attivo (fibre scintillanti): cinematica

chiusa, misura di e+ e 2 nel cms del + fondo principale: +→e+ (BR ~ 10-4) rivelatore: calorimetro em (CsI puro) sferico segmentato con

buona risoluzione in energia e grande copertura in angolo solido; collimatori, degradatore e bersaglio attivi (t.o.f.); MWPC cilindriche a bassa massa



Risultati da PIBETA: BR() e Vud

ApprovatoApprovato nel 1992, run 1999, 2000, 2001

I Fase esperimento:I Fase esperimento: ~100K eventi β

Risultati dai dati 1999-2000-2001 Risultati dai dati 1999-2000-2001 BR=(1.034 0.004stat0.007syst )x10-8

(1984: BR = (1.026 0.039) x 10-8 )

Vud = 0.9716(39) (PDG: 0.9734(8))→→ in accordo con SM ed unitarietà CKM

Massa invariante

T.o.F. tra evento e arresto del fascio +

(esponenziale: MC vitamedia +)Angolo -



Nel settore bosonico dello SM per le WI ci sono 3 parametri liberi, valutati dalle 3 grandezze misurate con maggiore precisione:

Costante di struttura fineα(0) = 1/137.035 999 76(50) 0.037 ppm

α(MZ) = 1/127.934(27) 210 ppm

Massa del bosone ZMZ = 91.1876(21) 23 ppm

Costante di FermiGF = 1.16639(1) x 10-5 9 ppm



Ralph Eichler - Direttore PSI



Ralph Eichler - Direttore PSI



K(e)/K() in NA48

NA48/2 (sulla base del run 2003-04) propone:

• in ≈ 6 settimane (2007 ?) di run a ½ intensità 2003 e duty-cycle del 50% 90 000 Ke2 e 27 milioni di K2

incertezza statistica 0.46%

• la sistematica è dominata dalla incertezza sulla efficienza di trigger e sulla sottrazione del fondo: incertezza sistematica 0.52%

• totale: 0.52% 0.46% = 0.70%

×10-5

( )1

( )SM ee

K K K

K eR R r

K

2exp / 2 10R R

≈ 0.3÷0.4% incertezza totale, usando un fascio di K+

da 75 GeV/c con p/p = 2% e un maggiore PTkick

Date post:	15-Jan-2016
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Relazione dal Comitato Scientifico del PSI (Dipartimento “Particelle e Materia”)

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