[論文レビュー] An Electron-Ion Collider at Jefferson lab

A. W. Thomas|ArXiv.org|Jul 27, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボのコスト効率の高い最初の段階の電子・イオン衝突型加速器として、634mのリング、150mの直線部、最大10^35 cm⁻²s⁻¹のランクスティリティを備えた中エネルギー電子・イオン衝突型加速器（MEIC）を提案している。この加速器により、3–11 GeV（e⁻/e⁺）および12–60 GeV（p）のエネルギーで偏極した電子およびイオンを用いて、特に小さなx領域における海クォークおよびグルーオン分布の高精度な研究が可能になる。MEICは、既存インfraを再利用しながら科学的探査範囲を最適化する設計であり、スピン物理学、パートン分布関数、パリティ破れ研究の分野で主な能力を有する。

ABSTRACT

Long term plans for the investigation of the quark and gluon structure of matter have for some time focussed on the possibility of an electron-ion collider, with the nuclear physics communities associated with JLab and BNL being particularly active. We briefly outline the current thinking on this subject at Jefferson lab.

研究の動機と目的

• ジェファーソンラボに、プロトンおよび原子核の非摂動的構造を研究するコスト効率の良い段階的電子・イオン衝突型加速器を構築すること。
• 特に小さなx領域における海クォークおよびグルーオン分布の理解における物理学的ギャップを埋めること。
• 既存インfraを再利用しながら、フルエネルギーのELICに段階的にアップグレード可能な最初の段階の施設を提供すること。
• 偏極ビームを用いて一般化パートン分布関数、横方向スピン（transversity）、およびEMC効果の高精度な測定を可能にすること。
• charm 粒子生成および標準模型の高精度なテストという新しい物理学的機会を探索すること。

提案手法

• ビーム衝突点およびビーム冷却システムを収容できる150mの直線部を備えた634mの「8の字」型リング衝突型加速器を設計する。
• アップグレードされたCEBAF電子・ポジトロン源（3–11 GeV）を、偏極した陽子（12–60 GeV）および軽いイオンと衝突させる。
• 電子冷却およびトラベルリングウェーブフォーカスを採用して、ビーム品質および偏極を維持する。
• ランクスティリティおよび衝突効率を向上させるために、カブ・キャビティおよびカブクロス技術を導入する。
• 12 GeVアップグレードおよびFRIBの既存トンネルおよびインフラを活用し、コスト削減と導入の加速を図る。
• トンネルおよび主要部品の再利用を計画し、将来的にフルエネルギーのELICにスケーラブルな設計とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中エネルギー電子・イオン衝突型加速器は、小さなx領域におけるプロトンの海クォークおよびグルーオン分布を調べるのに十分なランクスティリティおよび偏極を提供できるか？
• RQ2 MEIC設計は、バリオン内における軌道的角運動量の高精度な研究をどのように可能にするか？
• RQ3 重い核に対する(e⁻, ν̄ₑ)および(e⁺, νₑ)反応を用いて、アイソベクターEMC効果をテストする可能性はどの程度か？
• RQ4 MEICは、グルーオン構造のプローブとしての、中間状態のcharm 粒子およびその物質中での変化をどの程度まで研究できるか？
• RQ5 電子・核子散乱におけるパリティ破れ過程を用いて、MEICは標準模型の高精度なテストを可能にするか？

主な発見

• MEICは、中心系エネルギーの200–1200 GeV²の範囲でピークランクスティリティが約10^35 cm⁻²s⁻¹に達し、全範囲で10^33 cm⁻²s⁻¹以上のランクスティリティを達成する。
• この設計により、Q² = 1 GeV²でx > 0.0008、Q² = 12 GeV²でx > 0.01の領域へのパートン分布関数へのアクセスが可能となり、小さなx領域における海クォーク領域への到達が拡張される。
• 偏極電子およびポジトロンを最大11 GeVまでサポートでき、繰り返し周波数は500 MHzであるが、現在は検出器およびデータ取得システムの制限により制限されている。
• MEICは、将来的にフルエネルギーのELICにアップグレード可能であり、トンネルおよび主要部品の再利用が計画されている。
• ビーム・ビーム効果およびイオンビーム形成は、管理可能な課題であり、障害とはならない。電子冷却およびトラベルリングフォーカスが主な技術的支援要因である。
• 重い核に対する(e⁻, ν̄ₑ)および(e⁺, νₑ)反応の比較を通じて、EMC効果を研究する独自の機会がMEICに与えられ、核構造モデルの新しいテストが可能になる。