[論文レビュー] Concept for an Electron Ion Collider (EIC) detector built around the BaBar solenoid

PHENIX Collaboration, A. Adare+305 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ブルークヘン国立研究所の陽子-電子衝突装置（EIC）のための検出器概念ePHENIXを提案する。この検出器は、廃棄されたBaBarソレノイドとアップグレードされたsPHENIXインfra構造を基盤として構築され、新しいバーレル、電子発行、ハドロン発行検出器（結晶コメルメータ、GEMを装備したタイムプロジェクションチェンバ、DIRC/RICHシステムを含む）を統合することで、陽子および原子核におけるスピン、運動量、グルーオン飽和の高精度測定を可能にし、2025年までに全物理学的カバレッジを実現するとともに、より高いエネルギーへのスケーラビリティを有する。

ABSTRACT

The PHENIX collaboration presents here a concept for a detector at a future Electron Ion Collider (EIC). The EIC detector proposed here, referred to as ePHENIX, will have excellent performance for a broad range of exciting EIC physics measurements, providing powerful investigations not currently available that will dramatically advance our understanding of how quantum chromodynamics binds the proton and forms nuclear matter.

研究の動機と目的

• ブルークヘン国立研究所の陽子-電子衝突装置（EIC）に、費用対効果に優れ、高性能な検出器を設計すること。
• 特にBaBar超伝導ソレノイドとバーレルコメルメータを含む既存のsPHENIXインfraを活用することで、建設コストを低減し、初回物理実験までの期間を短縮すること。
• ヌクレオンのスピン構造、核子内におけるグルーオン飽和、および寒冷核物質内でのハドロン化の包括的測定を可能にすること。
• 将来のアップグレード、特に高い電子ビームエネルギーおよびcharm物理学のための向上したバーテックス分解能へのスケーラビリティを保証すること。
• 専用のフォワード検出器（ZDCおよびローマンポット）により、排他的および半排他的深エネルギーサイドインパルス散乱を支援すること。

提案手法

• ePHENIX検出器はBaBarソレノイドとsPHENIXバーレルコメルメータを基盤とし、既存インfraを再利用することで、コストと物理実験までの期間を低減する。
• 正確な電子同定とエネルギー分解能を実現するため、電子発行方向に結晶コメルメータを追加する。
• フォワードおよびバックワード方向の完全なトラッキングカバレッジを実現するため、追加のGEMを装備したコンパクトなタイムプロジェクションチェンバを設置する。
• 中央領域の粒子同定にはバーレルDIRCを、ハドロン発行領域にはガスRICHおよびアエロゲルRICH検出器を用いる。
• フォワード物理学は、インタークションポイント（IP）から12 m下流に位置するゼロ度コメルメータ（ZDC）と、約20 m地点に設置されたローマンポット分光計により実現される。
• 物理的到達可能性をマップするために、パラメータライズドシミュレーションと完全なGeant4シミュレーションの両方を用いて検出器性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaBarソレノイドとsPHENIXインfraを基盤とする検出器が、10 GeVの電子ビームエネルギーおよび10^33 cm^-2 s^-1の全ラウンドビーム密度において、EIC物理学に必要な性能を達成できるか？
• RQ2 ePHENIXは、半排他的深エネルギーサイドインパルス散乱（SIDIS）および包含的DISを用いて、ヌクレオンのスピンおよび運動量構造をどの程度高精度に解明できるか？
• RQ3 組み合わせたDIRCとdE/dxシステムの性能は、運動量が5 GeV/cまでに及ぶpions、kaons、protonsの分離にどの程度優れているか？
• RQ4 ZDCおよびローマンポットシステムは、ハドロン発行方向からの低運動量陽子を含む排他的深エネルギーサイドインパルス散乱イベントを効率的に再構成できるか？
• RQ5 ePHENIXは、重い核子におけるグルーオン飽和および寒冷核物質内でのハドロン化を研究する上で、どの程度の物理的到達可能性を有するか？

主な発見

• ePHENIXは結晶コメルメータを用いて優れた電子同定およびエネルギー分解能を達成し、包含的および半排他的DISの高精度測定を可能にする。
• 組み合わせたDIRCとTPCのdE/dxシステムにより、運動量が約2 GeV/cまでに及ぶpions、kaons、protonsの粒子同定純度が高く、5 GeV/cまでに残存する分離能力を有する。
• タイムプロジェクションチェンバとGEMを用いた検出器設計により、全方向における荷電粒子再構築の高効率性が保証され、完全なトラッキングカバレッジが実現される。
• ZDCおよびローマンポットシステムは、特にハドロン発行方向からの低運動量陽子を含む排他的DISイベントに対して高い効率を示すことが予想される。
• ePHENIXの概念は高いスケーラビリティを示しており、オープンcharm観測量（例：$F_2^c$）を測定可能となるようにシリコンバーテックス検出器を追加可能であり、将来的な電子ビームエネルギーの向上に対応できる。
• 完全なGeant4シミュレーションにより、ePHENIXがヌクレオン構造の詳細なイメージングおよび核子内におけるグルーオン飽和の始まりを解明するという広範なEIC物理学の目的を達成可能であることが確認された。