[論文レビュー] An Upgrade Proposal from the PHENIX Collaboration

A. Adare, S. Afanasiev+474 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2015

Advanced Data Storage Technologies参考文献 5被引用数 64

ひとこと要約

本論文は、RHICにおけるPHENIX検出器の大幅なアップグレードであるsPHENIXを提案している。1.5 Tの超伝導ソレノイドを装備し、シリコントラッキング、電磁 calorimeterおよびハドロンカルオリメータを備え、|η|<1の全スケールをカバーする。このアップグレードにより、複数の長さスケールにわたる強い結合したクォーカー・グルーオン・プラズマ（sQGP）のダイナミクスを解明するため、ジェット、bクォークジェット、光子、Upsilon状態の高精度な測定が可能になる。QCDの顕在的流体的性質と物質中での相互作用に関する根本的な問いに答える。

ABSTRACT

In this document the PHENIX collaboration proposes a major upgrade to the PHENIX detector at the Relativistic Heavy Ion Collider. This upgrade, sPHENIX, enables an extremely rich jet and beauty quarkonia physics program addressing fundamental questions about the nature of the strongly coupled quark-gluon plasma (QGP), discovered experimentally at RHIC to be a perfect fluid. The startling dynamics of the QGP on fluid-like length scales is an emergent property of quantum chromodynamics (QCD), seemingly implicit in the Lagrangian but stubbornly hidden from view. QCD is an asymptotically free theory, but how QCD manifests as a strongly coupled fluid with specific shear viscosity near $T_C$, as low as allowed by the uncertainty principle, is as fundamental an issue as that of how confinement itself arises.

研究の動機と目的

• RHICで発見された強い結合性のクォーカー・グルーオン・プラズマ（sQGP）の根本的性質を解明する。sQGPはQCDの漸近的自由性にもかかわらず、ほぼ完全な流れを示す。
• 一部のシャワーが物質中でどのように発達し、相互作用するかを調査し、sQGPの強い結合性とQCDの摂動的領域の両立を図る。
• TCに近い温度スケールにおける物質の性質の進化——輸送係数や準粒子励起状態——をマップする。
• 高温領域における強い結合性sQGPから弱い結合性の部分粒子物質への遷移がどの程度鋭いかを特定する。
• 将来の電子-イオン衝突型加速器の物理学の基盤を提供するため、RHICエネルギー域で包括的なジェットおよび重いフレーバーの測定を可能にする。

提案手法

• sPHENIXの中心磁石として、SLACのBaBarで使用された経験を持つ1.5 Tの超伝導ソレノイドを設置し、|η|<1の領域で一様なトラッキングと粒子識別を実現する。
• 高精度なバーテックス再構築とジェットのbタグ付きを可能にするために、シリコンバーテックストラッカーとインナートラッキングシステムを統合する。
• 電磁気的およびハドロン的カルオリメータを設置し、|η|<1の全スケールをカバーすることで、孤立光子、荷電ハドロン、およびジェットエネルギー損失を測定する。
• Upsilon状態3つ（Υ(1S)、Υ(2S)、Υ(3S)）の分解能が十分に高く、物質との結合強度の直接的な調査が可能になる。
• 最大√sNN=200 GeVの高インテンシティRHIC運用と高帯域幅データ収集システムを活用し、22週間の走行で1000億以上のAu+Au衝突を記録する。
• Geant4および磁場ソルバー（POISSON、OPERA）を用いたシミュレーションにより、|η|<3の範囲で検出器応答、運動量分解能、PID性能の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分粒子シャワーはクォーカー・グルーオン・プラズマ中をどのように発達・伝播するのか。物質誘発放射およびエネルギー損失はどのような役割を果たすのか。
• RQ2 高エネルギー領域におけるQCDの漸近的自由性とは対照的に、観測された強い結合性・ほぼ完全な流れを示すクォーカー・グルーオン・プラズマの性質は、どのように説明できるか。
• RQ3 TCに近い温度範囲において、クォーカー・グルーオン・プラズマのダイナミクス的変化——準粒子励起状態や輸送特性——は何か。
• RQ4 TCに近い強い結合性領域から、極限的高エネルギー領域で観測される弱い結合性の部分粒子相への遷移は、どの程度鋭いか。
• RQ5 ジェット、ジジェット、γジェット、フラグメンテーション関数、Upsilon測定から、異なる長さスケールにおける物質の結合強度と構造に関する何が明らかになるか。

主な発見

• sPHENIXは、1回の22週間走行で√sNN=200 GeVで1000億以上のAu+Au衝突を記録し、ジェットクエンチングおよび重いフレーバー生成の高統計的分析が可能になる。
• エネルギーET > 20 GeVのジジェットイベントが1000万件以上測定され、物質の輸送特性に対する精密な制約が得られる。
• Upsilon系における質量分解能は、Υ(1S)、Υ(2S)、Υ(3S)の状態を別々に同定可能であり、物質との結合強度の直接的調査が可能になる。
• トラッキングシステムの運動量分解能は、低|η|では1%未満、|η|=3では約3%までに保たれ、高偽レピティ領域では多重散乱が顕著に寄与する。
• dE/dx、時間飛行、RICH技術を組み合わせた粒子識別により、η ≈ 4付近でパイオン、カイオン、陽子の識別効率が約90%に達する。対称的質量カットを用いる。
• POISSONおよびOPERAを用いた磁場シミュレーションにより、安定した磁場配置と正確な磁場マップが確認され、トラッキングおよび運動量再構築に不可欠である。