Hadrons in FGT: Measurement & Calibration of P , - - PowerPoint PPT Presentation

Hadrons ¡in ¡FGT: ¡ ¡ Measurement ¡& ¡Calibration ¡of ¡ ¡P, π+/-, K+/-, K0 ¡ ¡

Xinchun ¡Tian, ¡Sanjib ¡ ¡R. ¡ ¡Mishra, ¡Roberto ¡Petti ¡ ¡

01

☙ ~3.5m ¡x ¡3.5m ¡x ¡6.5m ¡STT ¡(ρ≃0.1gm/cm3) ¡ ☙ 4π-­‑ECAL ¡in ¡a ¡Dipole-­‑B-­‑Field ¡(0.4T) ☙ 4π-­‑μ-­‑Detector ¡(RPC) ¡in ¡Dipole ¡and ¡Downstream ☙Pressurized ¡Ar-­‑target ¡(≃x5 ¡FD-­‑Stat) ➾ LAr-FD

Transition ¡Radiation ➳ e+/-­‑ ¡ID ¡⇒ γ dE/dx ¡ ➳ Proton, ¡π+/-­‑, ¡K+/-­‑ ¡ ¡ Magnet/Muon ¡Detector ➳ μ+/- e+/-

(⇒ Absolute ¡Flux ¡measurement)

1X0 ¡~ ¡600 ¡cm ¡/ ¡1λ ¡~ ¡1200 ¡cm

High-­‑Resolu,on ¡Fine ¡Grain ¡Tracker: ¡ ¡ Reference ¡ND ¡of ¡DUNE ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡STT ¡& ¡Ar-­‑Target

μ ¡Detector ¡

Dipole-­‑B ECAL ¡

ν

02

Charged Hadron Measurement in FGT

✴ Proton, π-/π+, K-/K+

✴ K0s ➳ π-+ π+ ✴ Track-reconstruction in STT: Curvature ⇒ |p| & “-” or “+” // Calorimetric constraint ⇒ 4π-coverage Direction-cosines ⇒ STT Track-fit extrapolated to the vertex including dE/dx

✴ ID Measurement: ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡dE/dX ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡TR ¡discriminant ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Calorimetric ¡Shower ¡Shape ¡ ¡

✴ Calibration:

03

HiResMν for LBNE 12

Proton 0.178 GeV/c Muon 6.702 GeV/c

Figure 14: A νµ-QE candidate in NOMAD

Proton 0.238 GeV/c Muon 6.836 GeV/c

Figure 15: A νµ-QE candidate in NOMAD

νμ-­‑QE ¡Events ¡ ¡in ¡ ¡NOMAD

04

∆++ Candidate Event Pμ- = 3.29 GeV P’pr’ = 0.659 GeV P’π+’= 0.263 GeV M++ = 1.261 GeV

p

π+ 𝜈-

In FGT ❧ x2 higher track-points in μ ¡ ❧~x5-10 higher track-points in p/pi

05

What we are looking for.

∆++ Candidate Event

Pμ- = 5.789 GeV P’pr’ = 0.393 GeV P’π+’= 0.157 GeV M++ = 1.231 GeV

`π+’

`pr’

μ-

νμ-­‑∆++ ¡Candidates ¡ ¡in ¡ ¡NOMAD

Momentum Reconstruction using Curvature in the B-Field

✴Need a uniform B-Field with

Good ¡design ¡uniformity ( ~1% variation over the volume of 3.5m x 3.5m x 6.5m)

✴Detailed B-Field map variations measured with ≤10% precision

⇒ B-Field known to ~0.1% precision

✴Continual monitoring of the B-Field during operation ⇒ Built in instrumentation in the field volume, especially the edges & yokes

06

✦ B uniformity in 3.5m × 3.5m × 7m tracking volume better than 2% (field simulations) ✦ Maximal deformation of C yoke 1.16 mm, maximal buckling of bobbin 1 mm ✦ Glo-Sci-51,23 measure absolute and relative νµ, νe and ¯ νµ, ¯ νe spectra separately. = ⇒ Low-ν technique for relative fluxes requires muon energy scale to < 0.2% = ⇒ B field mapping to better than 1% matches the requirement

0" 0.1" 0.2" 0.3" 0.4" 0.5" 0.6" 0.7" 0.8" 0.9"

• 3250"
• 2750"
• 2250"
• 1750"
• 1250"
• 750"
• 250"

0" 250" 750" 1250" 1750" 2250" 2750" 3250"

RELATIVE(VARIATION(IN(MAGNETIC(FIELD((%)( Z4(AXIS(IN(MM((LONGITUDINAL)(

B"rela've"varia'on"in"X-Y"plane" B"rela've"varia'on"along"Z"(beam)"axis"

1% 0.5%

• 0.5%
• 1%

0.0% 1.37%

• 1.26%

15 BARC, India

Design by BARC: Sanjay Malhotra & team

07

Proton Momentum Resolution in FGT 08

Proton

/p

Proton

p ∆ 1 − 0.5 − 0.5 1 Events 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

6

10 ×

σ~ 5.5%

π-/π+ : Momentum Resolution σ~ 7.5%

π+ Momentum ¡ ¡in ¡ ¡νμ-­‑Induced ¡Resonance ¡(∆++) ¡Interactions ¡

(GeV)

π

P 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Events 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

6

10 ×

CC-Res CC-QE CC-DIS

+

π CC-Coh Others Background MC

(GeV)

π

P 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Events 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

6

10 ×

CC-Res CC-QE CC-DIS

+

π CC-Coh Others Background MC

FGT ¡

Pπz ¡< ¡0 ¡ 34%

FGT ¡ NOMAD NOMAD

➾

✴Compare ¡the ¡

resolution ¡of ¡these ¡ plots ¡to ¡the ¡extant ¡ measurements ¡

✴Pπ is ¡the ¡most ¡

sensitive ¡measure ¡of ¡ ¡ the ¡nuclear ¡effect, ¡esp. ¡ FSI ¡

✴MC ¡underestimates ¡

the ¡Backward-­‑going ¡π Pπz ¡< ¡0 ¡ 33%

09

Angular Resolution of π-/π+ in FGT

✴ A ¡few ¡mRads

✴Best exemplified by the Coherent-π+/π- analysis

Sensitivity dictated by ζπ = Eπ (1-cos𝛊π ) & |t|

10

Coherent-π- Candidate P𝜈 = 2.94; Pπ = 1.08 (GeV) ζπ =0.033; mPT = 0.14 (GeV) |t| = 0.022 GeV2

𝜈+

π-

11

Coherent-π+ Candidate P! = 3.04; Pπ = 1.45 (GeV)

ζπ =0.021; mPT = 0.045 (GeV)

|t| = 0.004 GeV2 π+

!- In FGT ❧ x2 higher track-points in μ ¡ ❧~x5-10 higher track-points in p/pi

νμ-­‑Cohπ+ ¡ ¡& ¡ ¡νμ-­‑Cohπ- Candidates ¡ ¡in ¡ ¡NOMAD

_

[GeV]

Rec

ζ

• Gen

ζ 0.01 − 0.005 − 0.005 0.01 Events 2 4 6 8 10 12

3

10 ×

=0.0002

Fit

σ

]

2

[GeV

Rec

• t

Gen

t 0.04 − 0.02 − 0.02 0.04 Events 2 4 6 8 10

3

10 ×

=0.0008

Fit

σ

Salient Resolution Functions (θπ) Coherent-π+ in FGT

12

13

100 200 300 400 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 ζπ Events

Cohπ+ Bkg Data MC

Validation of the (θπ) Resolution Functions:

Coherent-π+ Analysis ¡in ¡NOMAD

100 200 300 400 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 t (GeV2) Events

Cohπ+ Bkg Data MC

QE-Proton Efficiency in FGT (Prelim.)

Efficiencies from Fast-MC; cross-checked against NOMAD Purity, in P<1 GeV , estimated from Fast-MC (prelim.) ✴ Efficiency ~ ~55%; Purity >90%

14 Resonance 3-Track (∆++) Efficiency in FGT (Prelim.)

Efficiencies from Fast-MC; cross-checked against NOMAD Purity, in P<1 GeV , estimated from Fast-MC (prelim.) ✴ Efficiency ~ ~30%; Purity >90% for Proton / Pi+

Test-Beam Calibration ¡of ¡ ¡STT ¡(TR) ¡and ¡ECAL ¡(Shape) ¡ ¡

✴Measurement of the STT prototype in a Test-Beam ⇒ Check/obtain calibration ⇒ dE/dx, TR: e vs 𝜈 vs π vs p vs…. in momentum bins ⇒ Essential before full-scale fabrication ✴Measurement of the STT and ECAL prototypes in a Test-Beam ⇒ Obtain energy (ADC ⇒ GeV) calibration ⇒ Measure the energy-dependent non-Gaussian tails ⇒ Particle ID: e vs 𝜈 vs π p vs…. shower-shape discriminan (p) ⇒ Essential before full-scale fabrication Calibration ¡of ¡ ¡Particle ID 15

p (GeV)

• 1

10 1

dE/dx (GeV/m)

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Proton K π

FGT$$has$$good$$dE/dx$$particle5ID:$$!+- / K+-$/ p

Particle ID: dE/dX 16

in situ Calibration of Charged Hadron ID

✴Measure K0s produced in the ν-interactions

Expect > 750,000 reconstructed K0s ⇒ π-/π+

✴Constrain the error on the |p|-from-curvature

Expect an error <0.1% on the momentum energy scale

✴Measure Λ produced in the ν-interactions

Expect > 500,000 reconstructed Λ ⇒ p/π- 17

Mass-K0s

✴

Measurement of the Mass-­‑K0s ⇒

in situ constraint on the Energy-­‑scale

✴

NOMAD, 32k K0s ⇒

error on the |p|-scale < 0.2%

18

Roberto Petti South Carolina Group

Measurement of exclusive topologies

P-Asym Pt (GeV) CC-Data: Armenteros Plot K0s Lambda Lam-Bar

! High resolution allows

excellent reconstruction of exclusive decay modes

! NOMAD performed

detailed analysis of strange particle production:

! resonances in CC & NC

are easier to reconstruct

! Constraints on NC decay

mode Λ, ¯ Λ ∆ ∆ → Nγ

✴ Λ ➳ Calibration ¡of ¡Proton ¡Reconstruction

19

Exclusive Particles reconstructed using ν-induced Hadrons

✴∆++ ✴ρ+ ✴ρ0 ✴𝜚 ….

➾ Providing ¡check, ¡constraint ¡on ¡the ¡hadrons ¡from ¡ν-interaction ¡ ¡ 20

21 Reconstructed ¡ ¡Particles ¡ ¡using ¡ ¡Hadronic ¡ ¡Tracks ¡ (NOMAD Data)

∆++

22

20 40 60 0.5 1 1.5 2 m(π+γγ) (GeV) Events

Cohρ+ Background Data MC

ρ+ Reconstructed ¡ ¡Particles ¡ ¡using ¡ ¡Hadronic ¡ ¡Tracks ¡ (NOMAD Data)

Reconstructed ¡ ¡Particles ¡ ¡using ¡ ¡Hadronic ¡ ¡Tracks ¡ (NOMAD Data)

Quasi-Exclusive ρ0 in NC

ρ0 23

Cohρ0 MC NC-MC Bkg(DS-Wt) CC-MC Bkg OBG-K0 Bkg

MKK (10MeV)

10 20 30 40 50 60 0.95 1 1.05 1.1 1.15 Number of Events Coh-𝜚

NC-DIS

Cohρ0

OBG-K0s

Reconstructed ¡ ¡Particles ¡ ¡using ¡ ¡Hadronic ¡ ¡Tracks ¡ (NOMAD Data)

𝜚

𝜚 ⇒ K-/K+

In FGT, expect a better suppression

• f the background.

24

Outlook

(1) Measure |p|p,π,K ¡ ¡with ~ 5 — 7.5% resolution (2) ϑ resolution ~ a few mRad (3) 100% distinction between h- .vs. h+ in ~0.3 - 50 GeV (4) B-field design allows the |p|-scale to be measured to <0.5% precision (5) Hadron-ID Determination:

⇒ dE/dx ⇒ TR discriminant (..in progress) ⇒ Shower shape (..in progress)

(6) Test-beam calibration of STT & ECAL for Hadron-ID

(7) in situ calibration of p, π-/π+ using ⇒ 750k K0s ⇒ 500k Λ

(8) ν-induced exclusive hadrons: ∆++, ρ+, ρ0, 𝜚, … (9) n-Reconstruction ..in ¡progress 25

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