54
Studies of Cosmogenic Background to Nucleon Decay in MicroBooNE Elena Gramellini Yale University On behalf of the MicroBooNE collaboration TAUP 2015 September 611, Torino, Italy

Studiesof CosmogenicBackgroundto( NucleonDecayin MicroBooNE · Motivations for Nucleon Decay Everyinteractionin the SMconserves# baryonnumber. Proton#(orbound( neutron) decaycan occuronlyasa

Embed Size (px)

Citation preview

Studies  of  Cosmogenic  Background  to  Nucleon  Decay  in  MicroBooNE

Elena  Gramellini  -­‐‑  Yale  University On  behalf  of  the  MicroBooNE  collaboration

TAUP  2015 September  6-­‐‑11,  Torino,  Italy

Motivations for Nucleon Decay

Every  interaction  in  the  SM  conserves  baryon  number.

Proton  (or  bound  neutron)  decay  can  occur  only  as  a  violation  of  baryon  number  and  it’s  predicted  by  almost  every  GUT.    

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   2

The  detection  of  even  one  nucleon  decay  event  would  be  a    direct  evidence  of  physics  BSM,    

opening  a  window  on  GUTs  exploration.

Not Only Golden Modes

…  plus  many  others!

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   3

arXiv:1307.7335

p  →  e+π0 p  →  K+  ν

The  discovery  of  a  particular  decay  mode  would  constrain  GUT  models.  

Need  of  experimental  handle    on  many  different  predicted  modes.  

Experimental Limits on τP

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   4

1032

1033

1034

Soudan Frejus Kamiokande IMB

τ/B (years)

Super-K

p → e+ π0

p → μ+ ρ0

n → ν ω

p → e+ K 0

n → e+ K -

n → μ+ K -

p → ν K +

n → ν K 0

p → e+ K*(892)0

n → ν K*(892)0

p → ν K*(892)+

p → μ+ π0

n → μ+ π-

p → ν π+

n → ν π0

p → e+ η

p → μ+ η

n → ν η

p → e+ ρ0

n → e+ ρ-

n → ν ρ0

p → e+ ω

p → μ+ ω

n → e+ π-

n → μ+ ρ-

p → ν ρ+

p → μ+ K 0

1035

n → e- K +

Ed.  Kearns

A Tool for Many Modes: LArTPC

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   5

Working  principles  of  a   Liquid  Argon  Time  Projection  Chamber: 1.   Charged  particles  interact  in  Ar

•   Produce  scintillation  light •   Ionize  electrons

2.   Ionization  e-­‐‑  drift  to  anode 3.   Wire  planes  detect  drift  e-­‐‑

Cathode  plate Anode  plane Electric  Field

X

Y

Scintillation  Light detected  by  PMTs

Drift Time = X position

Charge  collected by  wire  plane

Electrons

LArTPC Key Features for Nucleon Decay

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   6

U  plane induction

V  plane induction

Y  plane collection

⊕ ⊕ =⊕ Drift  time 3D  imaging     Millimetric

Space  Resolution

One  of  first    MicroBooNE  events  

Wire  pitch  at  the  millimeter  scale.

Calorimetry   information

Ingredients for Nucleon Decay Detection

Lots  of  nucleons Lots  of  time

Low  background [so  low  you  need  to  go  underground?]

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   7

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   8

Future and present LArTPCs…

X4  

DUNE:  Increase  Nucleon  Decay  sensitivity  in  multiple  channels.

40K  ton    active  volume    

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   9

Future and present LArTPCs…

X4  

DUNE:  Increase  Nucleon  Decay  sensitivity  in  multiple  channels.

40K  ton    active  volume    

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   10

Future and present LArTPCs…

Study Cosmogenic  Backgrounds  in  a  LArTPC. X4  

DUNE:  Increase  Nucleon  Decay  sensitivity  in  multiple  channels.

89  ton    active  volume    

40K  ton    active  volume    

MicroBooNE and Nucleon Decay

GOAL    Perform  a  topological  search  of  events  that  mimic  proton  decay  to  estimate  the  mis-­‐‑id  

rate  from  cosmogenic  sources.

1.  Study  the  decay  topologies  by  exploiting  the  variety  of  information  provided  by  a  LArTPC.

2.  Development  of  a  selection  strategy  geared  towards  removal  of  cosmogenic  backgrounds  for  proton  decay.

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   11

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   12

p  →  e+π0

Standard  candle

p  →  µμ+γ High  background  

 channel

p  →  K+  ν Golden  channel  

 in  LAr

Some example modes

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   13

p  →  e+π0 Standard  candle

p  →  µμ+γ High  background  

 channel

p  →  K+  ν Golden  channel  

 in  LAr

Some example modes

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   14

p  →  e+π0 Standard  candle

p  →  µμ+γ High  background  

 channel

p  →  K+  ν Golden  channel  

 in  LAr

Some example modes

Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   15 08/09/15

Simulated Event Display for p → e+ π0

Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   16 08/09/15

Simulated Event Display for p → e+ π0

e

γ γ

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   17

Selection strategy

Geometry  selection  &  PID –  π0  and  e  identification –  No  additional  vertex  activity –  Proximity –  Planarity  

Calorimetry  selection –  Total  energy  deposited  consistent  with  the  proton  rest  mass

–  Total  net  momentum  consistent  with  Fermi  Momentum  

e

γ γ

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   18

Selection strategy

e

γ γ

Geometry  selection  &  PID –  π0  and  e  identification –  No  additional  vertex  activity –  Proximity –  Planarity  

Calorimetry  selection –  Total  energy  deposited  consistent  with  the  proton  rest  mass

–  Total  net  momentum  consistent  with  Fermi  Momentum  

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   19

Selection strategy

e

γ γ

Geometry  selection  &  PID –  π0  and  e  identification –  No  additional  vertex  activity –  Proximity –  Planarity  

Calorimetry  selection –  Total  energy  deposited  consistent  with  the  proton  rest  mass

–  Total  net  momentum  consistent  with  Fermi  Momentum  

θ

20 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Selection strategy: Geometry & PID

Geometry  selection  &  PID          π0  identification          e  identification          No  additional  vertex  activity        Proximity        Planarity   Calorimetry  selection          Total  Energy  deposited        Total  net  momentum

We  look  for  events  that  meet  all  the  selection  criteria:  important  background.

21 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Selection strategy: Geometry & PID

✔  

✔  Geometry  selection  &  PID          π0  identification          e  identification          No  additional  vertex  activity        Proximity        Planarity   Calorimetry  selection          Total  Energy  deposited        Total  net  momentum

We  look  for  events  that  meet  all  the  selection  criteria:  important  background.

Geometry  selection  &  PID          π0  identification          e  identification          No  additional  vertex  activity        Proximity        Planarity   Calorimetry  selection          Total  Energy  deposited        Total  net  momentum

22 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Selection strategy: Geometry & PID

✔  ✖  ✖  

✖  ✖  

✖  ✖  ✔  

✔  

We  look  for  events  that  meet  all  the  selection  criteria:  important  background.

23 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Selection strategy: Calorimetry

Geometry  selection  &  PID          π0  identification          e  identification          No  additional  vertex  activity        Proximity        Planarity   Calorimetry  selection          Total  Energy  deposited        Total  net  momentum

We  look  for  events  that  meet  all  the  selection  criteria:  important  background.

24 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Selection strategy: Calorimetry

Geometry  selection  &  PID          π0  identification          e  identification          No  additional  vertex  activity        Proximity        Planarity   Calorimetry  selection          Total  Energy  deposited        Total  net  momentum

✔  

✔  ✔  ✔  

We  look  for  events  that  meet  all  the  selection  criteria:  important  background.

25 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Selection strategy: Calorimetry

Geometry  selection  &  PID          π0  identification          e  identification          No  additional  vertex  activity        Proximity        Planarity   Calorimetry  selection          Total  Energy  deposited        Total  net  momentum

✔  

✖  ✖  

✔  ✔  ✔  

We  look  for  events  that  meet  all  the  selection  criteria:  important  background.

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   26

p  →  e+π0 Standard  candle

p  →  µμ+γ High  bkg  channel

p  →  K+  ν Golden  channel  

 in  LAr

Some example modes

27 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Simulated Event Display for p → μ+ γ

28 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Simulated Event Display for p → μ+ γ with cosmics data overlay

29 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Simulated Event Display for p → μ+ γ with cosmics data overlay

30 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

µμ

γ

Simulated Event Display for p → μ+ γ with cosmics data overlay

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   31

Selection strategy

Geometry  selection  &  PID –  µμ/π  and  γ  identification –  No  additional  vertex  activity –  Proximity –  Planarity  

Calorimetry  selection –  Total  energy  deposited  consistent  with  the  proton  rest  mass

–  Total  net  momentum  consistent  with  Fermi  Momentum  

Fiducialization γ

µμ

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   32

Selection strategy

γ

µμ Geometry  selection  &  PID –  µμ/π  and  γ  identification –  No  additional  vertex  activity –  Proximity –  Planarity  

Calorimetry  selection –  Total  energy  deposited  consistent  with  the  proton  rest  mass

–  Total  net  momentum  consistent  with  Fermi  Momentum  

Fiducialization

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   33

Selection strategy

θ

γ

µμ Geometry  selection  &  PID –  µμ/π  and  γ  identification –  No  additional  vertex  activity –  Proximity –  Planarity  

Calorimetry  selection –  Total  energy  deposited  consistent  with  the  proton  rest  mass

–  Total  net  momentum  consistent  with  Fermi  Momentum  

Fiducialization

34 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Selection strategy: geometry

Geometry  selection  &  PID          µμ/π  identification          γ  identification        No  additional  vtx  activity        Proximity        Planarity

Calorimetry  selection          Total  energy  deposited          Total  net  momentum Fiducialization

We  look  for  events  that    meet  all  the  selection  criteria:    

important  background.

35 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Selection strategy: geometry

Geometry  selection  &  PID          µμ/π  identification          γ  identification        No  additional  vtx  activity        Proximity        Planarity

Calorimetry  selection          Total  energy  deposited          Total  net  momentum Fiducialization

✔  

✔  

We  look  for  events  that    meet  all  the  selection  criteria:    

important  background.

36 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Selection strategy: geometry

Geometry  selection  &  PID          µμ/π  identification          γ  identification        No  additional  vtx  activity        Proximity        Planarity

Calorimetry  selection          Total  energy  deposited          Total  net  momentum Fiducialization

✖  

✔  ✖  

✔  ✖  ✔  

We  look  for  events  that    meet  all  the  selection  criteria:    

important  background.

Selection strategy: calorimetry

37 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Geometry  selection  &  PID          µμ/π  identification          γ  identification        No  additional  vtx  activity        Proximity        Planarity

Calorimetry  selection          Total  energy  deposited          Total  net  momentum Fiducialization

We  look  for  events  that    meet  all  the  selection  criteria:    

important  background.

Selection strategy: calorimetry

38 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Geometry  selection  &  PID          µμ/π  identification          γ  identification        No  additional  vtx  activity        Proximity        Planarity

Calorimetry  selection          Total  energy  deposited          Total  net  momentum Fiducialization

✔  

✔  

✔  

We  look  for  events  that    meet  all  the  selection  criteria:    

important  background.

Selection strategy: calorimetry

39 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Geometry  selection  &  PID          µμ/π  identification          γ  identification        No  additional  vtx  activity        Proximity        Planarity

Calorimetry  selection          Total  energy  deposited          Total  net  momentum Fiducialization

✔  

✖  ✖  

✔  ✖  ✔  

We  look  for  events  that    meet  all  the  selection  criteria:    

important  background.

p → μ+ γ signature in 2D

40 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Geometry  selection  &  PID          µμ/π  identification          γ  identification        No  additional  vtx  activity        Proximity        Planarity

Calorimetry  selection          Total  energy  deposited          Total  net  momentum Fiducialization

We  look  for  events  that    meet  all  the  selection  criteria:    

important  background.

p → μ+ γ signature in 2D

41 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Geometry  selection  &  PID          µμ/π  identification          γ  identification        No  additional  vtx  activity        Proximity        Planarity

Calorimetry  selection          Total  energy  deposited          Total  net  momentum Fiducialization

✔  

✔    ✔  

✔  ✔  ✔  

We  look  for  events  that    meet  all  the  selection  criteria:    

important  background.

p → μ+ γ signature in 2D

42 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Geometry  selection  &  PID          µμ/π  identification          γ  identification        No  additional  vtx  activity        Proximity        Planarity

Calorimetry  selection          Total  energy  deposited          Total  net  momentum Fiducialization

✔  

✔  ✔  

✔  ✔  ✔  

We  look  for  events  that    meet  all  the  selection  criteria:    

important  background.

p → μ+ γ signature in 2D

43 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Geometry  selection  &  PID          µμ/π  identification          γ  identification        No  additional  vtx  activity        Proximity        Planarity

Calorimetry  selection          Total  energy  deposited          Total  net  momentum Fiducialization

✔  

✔  ✔  

✔  ✔  ✔  

?

?

We  look  for  events  that    meet  all  the  selection  criteria:    

important  background.

Selection strategy: fiducialization

44 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

The  shower  activity  of  the  event  is  very  close  to  the  edge  of  the  TPC:  event  rejected  by  planarity  and  fiducialization.

Selection strategy: fiducialization

45 08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

The  shower  activity  of  the  event  is  very  close  to  the  edge  of  the  TPC:  event  rejected  by  planarity  and  fiducialization.

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   46

In  the  first  MicroBooNE  events, we’ve  seen…  

Visual summary

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   47

In  the  first  MicroBooNE  events, we’ve  seen…  

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   48

In  the  first  MicroBooNE  events, we’ve  seen…  

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   49

In  the  first  MicroBooNE  events, we’ve  seen…   …  and  more                              to  come!

TakeawaysEven  in  the  initial  MicroBooNE  cosmics  data,  we  are  

seeing  for  the  first  time  topologies  of  interest      for  proton  decay  searches  in  a  LAr.

This  analysis  is  in  progress.    

The  goal  is  to  produce  full  characterization  and  analysis  of  cosmogenic  backgrounds  mis-­‐‑ID  rates.

With  MicroBooNE  (a  100  ton  scale  experiment),    we  can  measure  backgrounds,  as  well  as  develop  strategies  and  reconstruction  tools  critical  for  future  

LArTPCs  proton  decay  searches.

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   50

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   51

Thanks  for  the  aqention!

…  if  you  want  to  hear  more  about  MicroBooNE,  don’t  forget  to  aqend  our  

run  coordinator‘s  (Maq  Toups)    talk  tomorrow!

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   52

ν  

γ  

γ  γ  ν  

ν  

ν  

Back up

53

Simulated Event Display for the p → K+ν ̄

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015  

Event  display  of  a  simulated  p  →  K+ν    proton  decay  mode.

08/09/15 Elena  Gramellini    YaleU  –  TAUP  2015   54

MicroBooNE  is  a  170  ton  LArTPC  in  the  Booster  Neutrino  Beam  at  Fermilab.  

While  the  mass  is  not  sufficient  to  explore  τP  not  already  excluded.  Surface  position  and  currently  taking  cosmic  

data:  perfect  venue  to  study

Cosmogenic  Backgrounds  in  a  LArTPC.

Test  the  potential  of    LArTPC  in  proton  decay    

searches.

…What About Now?

Y:  232  cm  

X:  256  cm