[論文レビュー] Feasibility studies for quarkonium production at a fixed-target experiment using the LHC proton and lead beams (AFTER@LHC)

L. Massacrier, B. A. Trzeciak+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 54被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、LHCbに類似した検出器応答を模擬するAFTER@LHCで、LHCのプロトンおよび lead ビームを用いた固定標的におけるクォーカー二ウム生成の可能性を評価している。p+H衝突において20 fb⁻¹ yr⁻¹までの光度を想定した場合、J/ψ、ψ(2S)、およびΥ状態の高精度な測定が、高い信号対背景比を実現することで可能となり、後方の急速度におけるグルーオンのダイナミクス、核効果、クォーカー二ウムの偏光の詳細な研究が可能となる。

ABSTRACT

Used in the fixed-target mode, the multi-TeV LHC proton and lead beams allow for studies of heavy-flavour hadroproduction with unprecedented precision at backward rapidities - far negative Feyman-x - using conventional detection techniques. At the nominal LHC energies, quarkonia can be studies in detail in p+p, p+d and p+A collisions at sqrt(s_NN) ~ 115 GeV as well as in Pb+p and Pb+A collisions at sqrt(s_NN) ~ 72 GeV with luminosities roughly equivalent to that of the collider mode, i.e. up to 20 fb-1 yr-1 in p+p and p+d collisions, up to 0.6 fb-1 yr-1 in p+A collisions and up to 10 nb-1 yr-1 in Pb+A collisions. In this paper, we assess the feasibility of such studies by performing fast simulations using the performance of a LHCb-like detector.

研究の動機と目的

• LHCプロトンおよび lead ビームを用いた固定標的におけるクォーカー二ウム生成の研究可能性を評価すること。
• 後方の急速度における charm および bottom クォークのハドロン生成における高統計的測定の可能性を評価すること。
• AFTER@LHCが、グルーオンの反シャドウイング、EMC効果、および重いフラバーのハドロン生成におけるフェルミ運動といった核効果にどれほど感度を持つのかを調査すること。
• 偏極標的に基づくスピン非対称性の測定および p+A および Pb+A 衝突における励起状態（例：χc、χb）の研究の可能性を検討すること。

提案手法

• 粒子検出および再構成効率を評価するために、LHCbに類似した検出器モデルを用いた高速シミュレーションを実施した。
• シミュレーションフレームワークには、トラッキング、コロイメトリ、ミューオン識別を含む、完全な検出器応答モデルが含まれていた。
• Drell-Yan、c\bar{c}、および b\bar{b} ペアのような背景源は、PythiaおよびHELAC-Oniaジェネレータを用いてシミュレートされた。
• ジムウオンの不変質量スペクトルへの信号および背景寄与を評価し、信号対背景比を推定した。
• 核の修飾係数 R_{p+Pb} を計算して、核内グルーオン密度の変化を調べた。
• 統計的精度の見積もりを用いて、検出器性能がクォーカー二ウムの偏光および形成時間効果の測定に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AFTER@LHCでLHCビームを固定標的に用いて、ジムウオン崩壊チャネルにおいてクォーカー二ウム状態を高い信号対背景比で測定できるか？
• RQ2 √s_{NN} ≈ 115 GeV および 72 GeV の p+H および p+Pb 衝突において、J/ψ、ψ(2S)、および Υ(nS) 状態の測定に期待される統計的精度はどの程度か？
• RQ3 AFTER@LHCは、プロトンおよび核においてグルーオン分布および反シャドウイングやEMC効果といった核効果をどの程度まで解明できるか？
• RQ4 偏極標的およびLHCbに類似した検出性能を用いることで、Drell-Yanおよびクォーカー二ウム生成の単一スピン非対称性を十分な精度で抽出できるか？
• RQ5 励起クォーカー二ウム状態（例：χc、χb）を検出し、核物質内での形成時間効果を研究することは可能か？

主な発見

• √s_{NN} ≈ 115 GeV の p+H 衝突において、20 fb⁻¹ yr⁻¹までの統合光度が達成可能であり、高統計的クォーカー二ウム研究が可能となる。
• ジムウオン崩壊チャネルにおける J/ψ、ψ(2S)、Υ(1S)、Υ(2S)、および Υ(3S) の信号対背景比は良好であり、正確な断面積測定が可能である。
• Υ(nS) の質量近傍では Drell-Yan プロセスがジムウオンの主な供給源であり、バーテックスタグ付きミューオンを用いることで、信頼性の高い断面積抽出が可能である。
• 核の修飾係数 R_{p+Pb} は、前例のない統計的精度で測定可能であり、グルーオンの反シャドウイング、EMC 効果、およびフェルミ運動の研究が可能となる。
• ψ(2S) および Υ(2S)/Υ(3S) 状態は、十分な統計的精度で測定可能であり、核物質内での形成時間効果の調査が可能となる。
• LHCbに類似した検出器性能は、y ≈ -2.8 から 0 の広い急速度範囲にわたるクォーカー二ウム状態の分解能を確保でき、クォーカー二ウムの偏光および生成ダイナミクスに関する包括的な研究を支援する。