[論文レビュー] A Fixed-Target ExpeRiment at the LHC (AFTER@LHC) : luminosities, target polarisation and a selection of physics studies

Jean-Philippe Lansberg, V. Chambert+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、LHCで使用される曲げ水晶を用いて抽出する7 TeVプロトンまたは2.76 TeV/核子の lead 粒子ビームを用いた固定標的に基づく AFTER@LHC を提案する。これにより、10^32 cm⁻²s⁻¹を超える未曾有の全光度が実現され、全後方迅速度領域（xF ≈ -1）へのアクセスが可能となり、クォーカー二、オープン重いフレーバー、プロンプト光子、および偏光標的に基づく横方向単一スピン非対称性の高精度な研究が可能になる。これにより、QCDにおけるグルーオン分布およびスピン依存性ダイナミクスの新たな知見が得られる。

ABSTRACT

We report on a future multi-purpose fixed-target experiment with the proton or lead ion LHC beams extracted by a bent crystal. The multi-TeV LHC beams allow for the most energetic fixed-target experiments ever performed. Such an experiment, tentatively named AFTER for "A Fixed-Target ExperRiment", gives access to new domains of particle and nuclear physics complementing that of collider experiments, in particular at RHIC and at the EIC projects. The instantaneous luminosity at AFTER using typical targets surpasses that of RHIC by more than 3 orders of magnitude. Beam extraction by a bent crystal offers an ideal way to obtain a clean and very collimated high-energy beam, without decreasing the performance of the LHC. The fixed-target mode also has the advantage of allowing for spin measurements with a polarised target and for an access over the full backward rapidity domain up to xF ~ - 1. Here, we elaborate on the reachable luminosities, the target polarisation and a selection of measurements with hydrogen and deuterium targets.

研究の動機と目的

• 抽出されたマルチTeVビームを用いて、LHCにおける新規の高光度固定標的実験を可能にすること。
• QCDにおける高xF現象の高精度測定を可能にするために、全後方迅速度領域（xF ≈ -1）へのアクセスを実現すること。
• クォーカー二やプロンプト光子といったスピンに敏感なプローブを用いて、陽子および中性子のグルーオン内容を調査すること。
• 高統計的精度で横方向単一スピン非対称性（SSAs）を測定し、特にグルーオンに敏感なSivers効果を調べること。
• RHICおよび将来の電子-イオン衝突型加速器（EIC）におけるコライダー実験と補完的な物理学計画を提供すること。

提案手法

• LHCの性能を損なわずに、清浄で集束性の高い高エネルギーのプロトンまたは重イオンビームを実現するため、曲げ水晶を用いてビームの一部を抽出する。
• 7 TeVプロトンビームまたは2.76 TeV/核子の lead ビームを固定標的モードで使用し、質量中心系エネルギーを最大約115 GeVまで達成する。
• 密度が高く長い標的を用いることで、瞬間光度が10^32 cm⁻²s⁻¹を超える（RHICの1000倍以上）を実現する。
• 動的核磁化極化（DNP）技術を用いて、偏光した水素および重水素標的を実現し、スピン依存性部分素粒子分布を研究する。
• 高精度の検出器を活用し、優れたミュオンおよび光子エネルギー分解能を備え、S波およびP波クォーカー二状態、プロンプト光子、およびジェット相関を測定する。
• 粒子密度が低い後方迅速度領域（xF < 0）で測定を実施することで、レア過程およびスピン非対称性のクリアな検出が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 曲げ水晶を用いて抽出されたLHCビームを用いた固定標的衝突で、どの程度の光度が達成可能か？
• RQ2 AFTER@LHCにおける高精度スピン物理学のため、水素および重水素標的にどの程度の偏光度が達成可能か？
• RQ3 AFTER@LHCが、プロンプト光子やクォーカー二といったグルーオンに敏感なプローブの横方向単一スピン非対称性（SSAs）を測定する可能性は何か？
• RQ4 クォーカー二およびDrell-Yan測定を通じて、AFTER@LHCが陽子および中性子のグルーオン分布にどの程度の制約を強化できるか？
• RQ5 AFTER@LHCは、大規模な負のFeynman-x領域（xF ≈ -1）にどの程度アクセス可能か？ これにより、内在的重いクォーク分布および異常ハドロンの研究が可能になるか？

主な発見

• 1 cm 厚さの標的に対するプロトンビームの瞬間光度は10^32 cm⁻²s⁻¹を超える。これはRHICを3桁以上上回る。
• 1年あたり100 fb⁻¹を超える統合光度が達成可能であり、これにより既存の固定標的実験をはるかに超える統計的精度が実現可能になる。
• DNP技術を用いることで、偏光した水素および重水素標的を実現可能であり、特に中性子構造の研究においてHD標的が特に有望である。
• 本実験は、全後方迅速度領域（xF ≈ -1）へのユニークなアクセスを提供し、異常なスピン相関や因子化破綻といった高xF現象の研究が可能になる。
• 優れたエネルギー分解能および粒子フロー再構成が可能な高統計的測定により、S波およびP波クォーカー二、プロンプト光子、およびオープン重いフレーバー状態の測定が可能になる。
• 高光度および後方領域における有利な運動学的条件により、グルーオンに敏感なプローブの横方向単一スピン非対称性（SSAs）を高精度で測定可能になる。