[論文レビュー] A White Paper on SoLID (Solenoidal Large Intensity Device)

J.P. Chen, H. Gao+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2014

Real-time simulation and control systems参考文献 1被引用数 31

ひとこと要約

SoLIDは、ジェファーソンラボの12 GeVアップグレードを対象として、高出力・大受容角のソレノイド型スペンサーメーターを提案し、偏極3Heおよびプロトン標的に基づく横運動量に依存する一部分布（TMD）および半包含的深部非弾性散乱（SIDIS）の高精度測定を可能にする。1400の運動量領域にわたる高い統計的精度を実現し、三次元ヌクレオン構造、クォークの軌道的角運動量、J/ψ閾値生成を、かつてない感度で探る。

ABSTRACT

In order to fully exploit the physics potential of Jefferson Lab after 12 GeV energy upgrade, a new Solenoidal Large Acceptance Device (SoLID) is proposed. The SoLID spectrometer, with its unique capability of large acceptance and high luminosity, is ideal for precision measurements in semi-inclusive DIS to study transverse spin and transverse-momentum-dependent parton distributions of the nucleon, and for parity-violating Deep Inelastic Scattering (DIS) to perform precision tests of the Standard Model at low energy as well as addressing specific issues in nucleon structure including charge symmetry violation, d/u ratio and higher-twist effects due to di-quark. SoLID is also essential for precision measurements of J/ψelectroproduction in the threshold region to study non-perturbative gluon dynamics and interaction. Five highly rated SoLID experiments and two "run group" experiments have been approved by the JLab Physics Advisory Committee. The physics program is presented along with an overview of the SoLID instrumentation and its current status.

研究の動機と目的

• 偏極3Heおよびプロトン標的に基づき、バリエンスクォーク領域における横運動量に依存する部分分布（TMD）の、かつてない精度での測定を達成すること。
• 軌道的角運動量（OAM）が存在しない場合に消える5つの一次的摂動のTMDを用いて、ヌクレオン内におけるクォークの軌道的角運動量（OAM）およびスピン-軌道相関の起源を調べること。
• 横方向に偏極した3Heからの高統計的データを用いて、テンソルチャージおよびプレッツェルビティ分布の格子QCDおよびモデル予測を検証すること。
• QCDの強い相互作用領域におけるグルーオン的寄与を探るため、J/ψ中間子生成の閾値近傍を研究すること。
• 多様な電弱および排他的な物理学計画に対応できる、柔軟かつ再構成可能なスペンサーメーターを提供すること。

提案手法

• PVDISまたはSIDIS/J/ψ閾値計画の両方に最適化された再構成可能なソレノイド磁石（CLEO-II）を活用する。
• 磁場内での高レート追跡を実現する大面積ガス電子増倍器（GEM）トラッキング検出器を採用する。
• 電子およびハドロンの識別に、電磁カルシウムおよびガスチェレンコフ検出器（軽および重いガス）を統合する。
• 高レート環境下での粒子分離に適した、マルチレイヤーのハドロンPIDシステム（MRPCおよびECを含む）を採用する。
• パイプライン型電子回路および高度なトリガー系を導入し、高データレートを管理し、デッドタイムおよびピルアップを最小限に抑える。
• 実際のバックグラウンド（中性子バックグラウンドを含む）を想定した詳細なシミュレーションを実施し、性能の妥当性を検証し、設計を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横運動量に依存する部分分布（TMD）に記録された三次元の運動量およびスピン構造は、ヌクレオンのものとしてどのように特徴づけられるか？
• RQ2 クォークの軌道的角運動量（OAM）およびスピン-軌道相関は、ヌクレオンのスピンにどのように寄与しているか？
• RQ3 uおよびdクォークのテンソルチャージは何か？ そして、格子QCDおよびDyson-Schwingerモデルの予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 プレツェルビティ分布は高精度で測定可能か？ その予測は理論モデル（BoffiおよびPasquiniらのモデルなど）と一致するか？
• RQ5 J/ψ生成の閾値近傍における性質は何か？ そして、QCDにおけるグルーオン的自由度の理解に何を明らかにするか？

主な発見

• SoLIDからの予想される測定は、1400の運動量領域にわたって高精度を達成し、過去の6 GeV実験と比較して統計的不確実性が著しく低減される。
• uおよびdクォークのテンソルチャージは、格子QCDおよびDyson-Schwingerモデルの予測と直接比較可能な、かつてない精度で抽出可能となる。
• プレツェルビティ非対称性は、横運動量およびBjörken xの高分解能で測定可能となり、BoffiやPasquiniらの理論モデルの検証が可能になる。
• スペンサーメーターは、10^36–10^39 cm⁻²s⁻¹の出力に対応できる設計となっており、高統計的測定が可能となり、高次摂動効果および電荷対称性の破れを解明する上で不可欠となる。
• J/ψ閾値プログラムは、QCDにおけるグルーオン的寄与を独自に探るものであり、高出力および複数粒子の一致検出を要するが、SoLIDはこれを実現する設計となっている。
• 概念的設計は、内部レビュー、実際のバックグラウンドを想定したシミュレーション、およびジェファーソンラボへの輸送を想定したCLEO-II磁石の承認を含め、広範な検証を経験している。