[論文レビュー] A study of meson and baryon decays to strange final states with GlueX in Hall D (A proposal to the 39th Jefferson Lab Program Advisory Committee)

The GlueX Collaboration, M. Dugger+77 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボのGlueX実験を、前方の中間子識別システムとレベル3ソフトウェアトリガーを備えた形で強化することを提案し、奇妙な最終状態を含むメソンおよびバリオンの崩壊に関する高統計的分析を可能にする。5×10⁷個のタグ付き光子/秒の照射を200日間継続することで、ハイブリッドメソンおよび二重に奇妙なバリオンの詳細な振幅解析が可能となり、ゲージ場の励起状態に関する格子QCD予測の実験的検証が顕著に進展する。

ABSTRACT

The primary motivation of the GlueX experiment is to search for and ultimately study the pattern of gluonic excitations in the meson spectrum produced in gamma p collisions. Recent lattice QCD calculations predict a rich spectrum of hybrid mesons that have both exotic and non-exotic JPC, corresponding to q q-bar (q=u, d, or s) states coupled with a gluonic field. A thorough study of the hybrid spectrum, including the identification of the isovector triplet, with charges 0 and +-1, and both isoscalar members, |s s-bar> and |u u-bar> + |d d-bar>, for each predicted hybrid combination of JPC, may only be achieved by conducting a systematic amplitude analysis of many different hadronic final states. We propose the development of a kaon identification system, supplementing the existing GlueX forward time-of-flight detector, in order to cleanly select meson and baryon decay channels that include kaons. Once this detector has been installed and commissioned, we plan to collect a total of 200 days of physics analysis data at an average intensity of 5 x 10^7 tagged photons on target per second. This data sample will provide an order of magnitude statistical improvement over the initial GlueX data set and, with the developed kaon identification system, a significant increase in the potential for GlueX to make key experimental advances in our knowledge of hybrid mesons and Cascade baryons.

研究の動機と目的

• ハドロン最終状態における中間子の検出および識別能力を拡張し、奇妙 quark を含むメソンおよびバリオンの研究を可能にする。
• 1秒間に5×10⁷個のタグ付き光子を照射する状態で200日間のデータ収集を実施することで、ベースラインGlueX計画比で統計的精度を1桁向上させる。
• 様々な $J^{PC}$ 量子数およびアイソスピン構成を持つ、Exoticおよび非Exoticなハイブリッドメソンの体系的振幅解析を可能にする。
• s\bar{s}-様のメソンおよび二重に奇妙な $\Xi$ バリオンを同定し、ゲージ場の励起状態に関する格子QCD予測の検証に不可欠となる。
• 高光度条件下でのデータ収集レートを削減するためにレベル3ソフトウェアトリガーを導入し、ストレージおよび処理コストを最小限に抑える。

提案手法

• 時間飛行系統に加えて、ガスチェレンコフ検出器およびHBRICH設計を含む前方粒子識別システムを構築し、中間子識別の補完的手段とする。
• 完全なGlueXソフトウェアフレームワークを用いて中間子生成および検出器性能をシミュレートし、検出器の幾何学的配置および材料予算を最適化する。
• 新規中間子識別システムを既存のGlueXデータ取得およびトリガー系統と統合し、リアルタイムでの粒子識別を可能にする。
• データレートを1桁削減するためにレベル3ソフトウェアトリガーを実装し、高ビーム強度下での効率的なデータ記録を可能にする。
• GlueX参加機関が保有する既存の検出器建設の専門知識を活用し、現場外での製作を進めることでコスト効率と技術的準備度を確保する。
• 標準化されたジェファーソンラボのデータ取得インfraを活用し、新規トリガーおよびデータフローをサポートすることで、相互運用性および拡張性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 前方中間子識別システムは、GlueXに効果的に設計・統合可能であり、奇妙な最終状態の明確な分離を可能にするか？
• RQ2 中間子識別機能の追加により、$s\bar{s}$ 成分を有するハイブリッドメソンおよびExotic $J^{PC}$ 量子数を有する状態に対する感度はどの程度向上するか？
• RQ3 高光度条件下で、レベル3ソフトウェアトリガーはどの程度データレートを削減可能であり、物理的関連イベントの保持は維持できるか？
• RQ4 前方領域における追加の検出器材料が、トラッキングおよびカリメータ性能に与える影響は何か？
• RQ5 強化されたGlueX計画は、格子QCDが予測するハイブリッドメソンスペクトルのパターンを解明するのに十分な統計的パワーを達成可能か？

主な発見

• 1秒間に5×10⁷個のタグ付き光子を照射する200日間の物理学走行により、ベースラインGlueXデータセット比で統計的精度が1桁向上する。
• 前方中間子識別システムの導入により、中間子を含む最終状態のクリアな選別が可能となり、s\bar{s}-様のメソンおよび $\Xi$ バリオンの同定に不可欠となる。
• レベル3ソフトウェアトリガーの予想される効果は、データレートを10分の1にまで低減させ、高光度運転を管理可能なストレージおよび処理コストで実現可能にする。
• 新規検出器のハードウェアコストは、約16万ドルと推定され、1コアあたり100 Hzで2000コアを想定した場合、処理されていないデータのストレージコストに比べて著しく低い。
• 共同研究チームは、2012年秋までに検出器設計を最終化し、NSFおよびDOEプログラムを通じて資金を調達する計画であり、GlueX参加機関の既存の建設能力を活用する。
• 強化されたGlueX計画により、アイソベクトルおよびアイソスカラー系におけるハイブリッドメソンの包括的振幅解析が可能となり、格子QCD予測に対する重要な検証が得られる。