[論文レビュー] Electron Ion Collider: The Next QCD Frontier - Understanding the glue that binds us all

Alberto Accardi, Javier L. Albacete+76 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 163被引用数 173

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、グルーオンが支配する物質およびヌクレオンの三次元構造を精密に研究できる、量子色力学（QCD）研究の次世代の主要なフロンティアとして、電子・イオン衝突型加速器（EIC）を提唱している。電子と極化された陽子および重いイオンを衝突させることで、EICはパートン分布をマップし、グルーオンの飽和状態を調べ、クォーク・グルーオンのダイナミクスを画期的な解像度でイメージングすることで、素粒子レベルの物質を束ねる強い力の理解を深める。

ABSTRACT

This White Paper presents the science case of an Electron-Ion Collider (EIC), focused on the structure and interactions of gluon-dominated matter, with the intent to articulate it to the broader nuclear science community. It was commissioned by the managements of Brookhaven National Laboratory (BNL) and Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) with the objective of presenting a summary of scientific opportunities and goals of the EIC as a follow-up to the 2007 NSAC Long Range plan. This document is a culmination of a community-wide effort in nuclear science following a series of workshops on EIC physics and, in particular, the focused ten-week program on "Gluons and quark sea at high energies" at the Institute for Nuclear Theory in Fall 2010. It contains a brief description of a few golden physics measurements along with accelerator and detector concepts required to achieve them, and it benefited from inputs from the users' communities of BNL and JLab. This White Paper offers the promise to propel the QCD science program in the U.S., established with the CEBAF accelerator at JLab and the RHIC collider at BNL, to the next QCD frontier.

研究の動機と目的

• グルーオンが支配する領域における量子色力学（QCD）を探索する次世代の主要施設として、電子・イオン衝突型加速器（EIC）を確立すること。
• ヌクレオンのスピン構造およびその内部におけるパートンの三次元的分布に関する根本的問いに応えること。
• 核における高グルーオン密度効果、特にグルーオンの飽和および非線形QCD進化を研究すること。
• 光度フロンティアにおける電弱結合およびフラバー違反の高精度測定を可能にすること。
• 2007年のNSAC長期計画以降のコミュニティの提言、実験的データ、理論的進展に基づいて、EICの包括的な科学的根拠を提供すること。

提案手法

• 20～100 GeVの重心系エネルギーで、高光度で極化された電子ビームと極化された陽子および重イオンビームを衝突させる。
• 20 Tmの分析用ドレープル磁石の直後、15 mのドリフト空間を設け、電子ビームとイオンビームのラインを平行に保ち、1 m以上の間隔を確保して検出器設置を可能にするコライダー設計を実装する。
• 冷却および二次的焦点化を用いたビーム光学最適化により、0.2 mrad未満の角分解能と10⁻⁴未満の運動量分解能を達成し、高精度なt測定に不可欠な性能を実現する。
• 半包含的深エネルギー散乱（SIDIS）および微小散乱過程を用いて、運動量に依存するパートン分布（TMD）およびグルーオンTMDにアクセスする。
• 古典的グルーオン場モデルおよび非線形進化方程式（例：Balitsky-Kovchegov方程式）を用いて、核内の高密度グルーオン物質を記述する。
• 全角度および運動量の受容性を持つ検出器を設計し、大口径のドレープルおよび低tおよび高運動量移動量の粒子を解像可能なトラッキングシステムを備える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グルーオンはヌクレオンのスピンおよび三次元的構造にどのように寄与しているか？
• RQ2 高グルーオン密度における核内のパートン分布の性質は何か？ そしてグルーオンの飽和状態はどのように出現するか？
• RQ3 EICは、ヌクレオンおよび核内のクォークとグルーオンの空間的および運動量的分布を3次元解像度でイメージングできるか？
• RQ4 高エネルギーQCDダイナミクスは、p+AおよびA+A衝突にどのような影響を及えるか？ これは初期状態効果およびエネルギー損失を含む。
• RQ5 高精度な電弱測定を通じて、EICは標準模型を超える新しい物理をどのように探査できるか？

主な発見

• EICは10⁻⁴未満の運動量分解能と0.2 mrad未満の角分解能を達成し、3次元的パートンイメージングに不可欠な高精度な4元運動量移動量測定を可能にする。
• コライダー設計により、2～3 mradの角度まで、およびビーム運動量の99.5％までの剛性を持つ粒子の散乱を全受容範囲でカバーでき、低tおよび高p領域の包括的カバレッジが保証される。
• EICは、半包含的深エネルギー散乱を用いて、運動量に依存するパートン分布（TMD）、特にグルーオンTMDをマップし、ヌクレオンの三次元的構造にアクセスできる。
• EICは核における飽和スケールQsを調べることができ、理論的モデルは高エネルギーおよび大きな原子質量数の条件下でグルーオンの飽和効果が支配的になると示唆している。
• EICは弱い電荷なし現在結合定数および電荷を帯びたレプトンのフラバー違反の高精度測定を可能にし、標準模型を超える新しい物理に感度を持つ。
• EICの設計により、50 mradの交差角を用いることで、反動陽子および中性子を明確に分離でき、相互作用領域における効率的な検出とビームバックグラウンドの低減が可能になる。