[論文レビュー] A next-generation LHC heavy-ion experiment

D. Adamová, M. Arslandok+397 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2019

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 29被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、ウェーパスケールCMOSモノリシックアクティブピクセルセンサ（MAPS）を用いたコンpakな円筒型バーレル検出器を採用し、1層あたり0.05% X₀の超低材料バジェットを実現する次世代の超低材料予算LHC重イオン実験を提案する。この検出器は、20 ps程度の高精度なトラッキングおよび時間飛行（TOF）分解能を達成し、数十MeV/cの低横運動量のレプトン、光子、重味バリオン状態（heavy quarkonia）を精密に測定可能であり、アップグレード済みALICEと比較して20–50倍高い光度で動作可能となる。これにより、クォーカー・グルーオンプラズマ（QGP）の性質やソフトQCD現象に関する新たな知見が得られる。

ABSTRACT

The present document discusses plans for a compact, next-generation multi-purpose detector at the LHC as a follow-up to the present ALICE experiment. The aim is to build a nearly massless barrel detector consisting of truly cylindrical layers based on curved wafer-scale ultra-thin silicon sensors with MAPS technology, featuring an unprecedented low material budget of 0.05% X$_0$ per layer, with the innermost layers possibly positioned inside the beam pipe. In addition to superior tracking and vertexing capabilities over a wide momentum range down to a few tens of MeV/$c$, the detector will provide particle identification via time-of-flight determination with about 20~ps resolution. In addition, electron and photon identification will be performed in a separate shower detector. The proposed detector is conceived for studies of pp, pA and AA collisions at luminosities a factor of 20 to 50 times higher than possible with the upgraded ALICE detector, enabling a rich physics program ranging from measurements with electromagnetic probes at ultra-low transverse momenta to precision physics in the charm and beauty sector.

研究の動機と目的

• QCD物質内におけるソフトおよび重味バリオン探針を研究するため、前例のない材料バジェットとトラッキング性能を備えた次世代の多目的LHC重イオン検出器を設計すること。
• 現在の実験では到達できない、数十MeV/cの横運動量までに及ぶ電磁探針の測定を可能にすること。
• 1.8–3 GeV領域における高精度な二重レプトン分光測定を通じて、チャーミカル対称性の回復とQGP温度を精密に特定すること。
• コンバージョン法を用いて1 MeV/cまでに及ぶ超低エネルギー光子を測定することで、QEDおよびQCDにおけるソフト定理の予測を検証すること。
• Exotic quarkonia、多重重味バリオン、ダークフォトンを含む、LHC重イオン衝突の物理的到達範囲を拡張すること。

提案手法

• ウェーパスケールで超薄いCMOS MAPSを用い、1層あたり0.05% X₀のほぼ質量ゼロの完全な円筒型バーレルトラッカーを実装し、pT ~ 30 MeV/cの粒子検出を可能にする。
• CMOSセンサの内在的約20 psの時間分解能を活用し、高精度な時間飛行測定を実現し、電子および光子の識別を可能にする。
• 高運動量領域における電子および光子識別を補完するため、専用のシャワーディテクタを統合し、取り外し可能なコンバージョン箔を用いて光子のe+e−コンバージョンによる検出を実現する。
• 内側の検出器層をビームパイプ内または極めて近接して配置することで、低pT領域における位相空間カバレッジを最大化する。
• CMOS MAPSの高レート性能を活かし、アップグレード済みALICEと比較して20–50倍高い光度で動作させ、pp、pA、AA衝突の高統計的解析を可能にする。
• バーテックスタグギングと時間飛行分解能を活用し、非プロンプト二重レプトン背景を抑制し、熱的二重レプトン連続体を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心的Pb-Pb衝突において、1.26 GeV近辺の二重レプトン連続体の高精度測定により、ρ–a1領域におけるチャーミカル対称性の回復をプローブできるか？
• RQ2 1.8–3 GeV領域における熱的二重レプトンスペクトルの形状から、クォーカー・グルーオンプラズマの温度を高精度で決定できるか？
• RQ3 100 MeV/c未満の横運動量領域で、量子場の理論におけるソフト実光子の予測された1/pT発散の実験的検証が可能か？
• RQ4 クォーク内容および系サイズが超低エネルギー光子生成に果たす役割は何か？また、ハドロン的ブレムストラール放出からの逸脱を観測できるか？
• RQ5 Exotic quarkoniaおよび多重重味バリオンの生成が、QGPの性質を制約するのに十分な精度で測定可能か？

主な発見

• 提案された検出器は、1層あたりたった0.05% X₀の材料バジェットを達成し、横運動量が約30 MeV/cの荷電粒子の検出が可能である。
• 約20 psの時間飛行分解能により、500 MeV/cから電子および光子の識別が可能であり、専用シャワーディテクタを用いて高運動量電子の識別も可能である。
• ρ中間子からの熱的二重レプトン連続体は1.6 GeVまで高精度で測定可能であり、チャーミカル対称性の回復の定量的検証が可能となる。
• 中心的Pb-Pb衝突において、a1中間子の最小値（1.26 GeV近辺）の埋め込みが十分な分解能で観測可能であり、低質量二重レプトン連続体（0 < m < 3 GeV）の解析が可能となる。
• コンバージョン法による光子検出により、横運動量の到達範囲が50–100 MeV/cまで拡張可能であり、フォワードスケーラーは1–100 MeV/c領域をカバーし、ソフト定理の検証が可能となる。
• 光度が20–50倍向上する高光度運用により、ディスオリエントド・チアラル・コンデンセートやダークフォトンといったレアプロセスの高統計的解析が可能となる。