[論文レビュー] A Plan for Electron Ion Collider in China

Xurong Chen|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高い光度と偏光ビームを備えた二段階型施設として、中国における電子・陽子衝突型加速器（EicC）を提案する。この施設は、バリオン構造の精密測定を目的とし、海クォーク分布、横運動量分布、一般化部分子分布関数（GPD）の測定を可能にするとともに、隠れcharmおよびb quarkを含むExotic baryonの探査が可能となる。米国および欧州のEIC計画とは異なり、中間エネルギー領域におけるバリオンのバリオンクォークおよび海クォークのダイナミクスに特異な感度を発揮する補完的知見を提供する。

ABSTRACT

One of the frontier research areas common to both nuclear and particle physics is the study of hadron structure and the strong interaction. In this contribution we will discuss a plan for a polarized electron-ion collider in China (EicC) and its physics goals.

研究の動機と目的

• 中国に高光度・偏光ビームを備えた電子・陽子衝突型加速器を構築し、バリオン内部構造を研究すること。
• 1次元（1D）、トランスバース運動量分布（TMD）、一般化部分子分布関数（GPD）の海クォーク分布を、未曾有の精度で測定すること。
• 五価クォーク状態やボトミウム生成を含む、隠れcharmおよびb quarkを有するExotic baryon状態を調査すること。
• 閾値測定を通じて、非摂動的グルーオン寄与および陽子質量生成メカニズムを調べること。
• レプトンのフレーバー不変性破れおよび弱い混合角の精密な検証を通じて、標準模型を超える新しい物理の探索を可能にすること。

提案手法

• EicCを二段階で設計：EicC-I（3–5 GeV e⁻、12–30 GeV p⁺）およびEicC-II（5–10 GeV e⁻、60–100 GeV p⁺）、両者とも偏光ビームを備える。
• 加速器建設の基盤施設として、重イオン高強度加速器施設（HIAF）を活用する。
• 最大1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹の高光度運転を実現し、希少過程の検出を可能にする。
• 偏光電子およびイオンビームを用いて、スピン依存部分子分布関数およびTMDを測定する。
• EicC-IにおけるTMDコリンズ関数の非対称性および排他的過程（例：ep → eN*⁺_{b¯b} → eΥ）の断面積のシミュレーションを実施する。
• EicC-IIでは最大63 GeVの中心系エネルギーを実現し、J/ψおよびΥの大きなW領域における電磁的生成過程を調べる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン内の海クォークの正確な1D、TMD、GPD分布は何か？また、バリオンクォークとはどのように異なるか？
• RQ2 EicC-I施設は、隠れb quarkを有するExotic baryonの量子数を解明できるか？
• RQ3 グルーオン寄与およびトレース異常は陽子質量にどのように寄与するか？また、Υ生成の閾値近傍測定によりこの寄与を測定可能か？
• RQ4 非摂動的グルーオンはハドロン化および陽子スピン構造にどのように寄与するか？
• RQ5 EicC-IIは、チャージドレプトンのフレーバー不変性破れまたは弱い混合角の精密測定を通じて、標準模型を超える物理的偏差を検出可能か？

主な発見

• EicC-Iは、海クォークとバリオンクォークを研究するためのクリアな運動量領域を提供し、中心系エネルギー√S ≈ 16 GeV、光度4×10³³ cm⁻²s⁻¹を達成する。
• シミュレーションの結果、EicC-Iは1年間の運用で、x, z, P_T, Q²の全範囲にわたり、TMDコリンズ関数非対称性の誤差が非常に小さい（誤差範囲が小さい）測定が可能である。
• EicC-Iは、隠れb quarkを有するExotic baryonの研究に非常に適しており、√S > 16 GeVにおけるep → eN*⁺_{b¯b} → eΥの全断面積が約10 pbと予測される。
• EicC-Iは、重いbottom quark質量のおかげで理論的不確実性が低減するため、Υ生成の閾値近傍での高精度測定が可能である。
• EicC-IIは、J/ψおよびΥの電磁的生成を通じて、グルーオンGPDを大W領域で探索するための運動量領域を拡張し、光度は最大1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹に達する。
• EicC計画は、JLab 12 GeVおよび米国・欧州EIC計画と補完的であり、他の施設がカバーが難しい中間xおよび中間Q²領域に焦点を当てている。