[論文レビュー] Future Deep Inelastic Scattering with the LHeC

M. Klein|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2018

Superconducting Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、CERNにおける次世代の電子陽子および電子イオン衝突型加速器としての大型ハドロン陽電子衝突型加速器（LHeC）を提案する。これにより、1 ab⁻¹に達する光度まで達成可能な高精度な深エネルギースケール散乱（DIS）測定が可能となり、HERAの1,000倍以上にのぼる。LHCの陽子およびイオンビームと組み合わせることで、高エネルギーの電子ビームを用いることで、特に$F_L$および$R$の部分素粒子分布関数の測定において、予想される不確実性が±0.02まで低下するという、長年の理論的目標（Guido Altarelliが提唱）を達成する。

ABSTRACT

For nearly a decade, Guido Altarelli accompanied the Large Hadron electron Collider project, as invited speaker, referee and member of the International Advisory Committee. This text summarises the status and prospects of the development of the LHeC, with admiration for a one-time scientist and singular leader whom I met first nearly 40 years ago under the sun shining for the "Herceg Novi School" in Kupari, where we both lectured about the beautiful science of Deep Inelastic Scattering and enjoyed life under a yellow moon.

研究の動機と目的

• LHCにおいて高光度$ep$および$eA$衝突型加速器を実現し、HERAを上回る運動量領域および測定精度を拡張すること。
• 小さなBjorken$ x $における縦構造関数$F_L$および比$R$の測定精度の欠如に起因する、摂動的QCDの重要なテストを解決すること。
• LHCの光度を損なわず、$pp$および$ep$の同時運転を可能にすることで、LHCを3ビーム・ツイン・コライダー施設に変貌させること。
• Exotic Higgsボソン、ダークマター、重いニュートリノ、および高密度部分素粒子におけるQCDダイナミクスを含む、標準模型を超えた新しい物理現象を探索すること。
• 高精度なレプトン-核子散乱を用いて、クォーク-グルーオンプラズマおよび原子核の部分素粒子構造を理解するためのQCDベースの基盤を確立すること。

提案手法

• 27 kmのLHCリングに接するように加速された60 GeVの電子ビームを用い、中心系エネルギーが最大~1 TeVに達する$ep$および$eA$衝突を実現すること。
• 背面カウチングを強化した専用$ep$検出器を設計し、追加のシリコントラッカー平面およびハドロン的背面コロイメータを備えることで、分解能の向上とバックグラウンド抑制を実現すること。
• $pp$衝突と並行して$ep$衝突を実行することで、統合光度が~1 ab⁻¹に達するよう設計すること。
• 低$E_e$での新しいビームエネルギースキャン戦略を採用し、バックグラウンドを低減しつつ高い$y$値をカバーすることで、$\sigma_r \propto y^2/Y_+$依存性を用いた$F_L$の高精度抽出を可能にすること。
• LHeC概念設計報告書（CDR）のシミュレートデータを用いて、小$ x $における$F_2$および$F_L$の理論的予測をベンチマークし、NNLO pQCD計算と比較すること。
• $\sigma_r$対$y^2/Y_+$の傾きと切片を精緻に分離するプロトコルを適用し、$F_L$を抽出する際の系統的不確実性を最小限に抑えること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHeCは、小$ x $における縦構造関数$F_L$の測定を、不確実性が±0.02未満で達成できるか？
• RQ2 LHeCにおける$ep$および$pp$の同時運転は、新しい物理現象の感度を向上させるとともに、ヒッグスおよび電弱測定におけるQCD不確実性をどのように低減するか？
• RQ3 高精度な$F_L$および$R$測定によって、小$ x $におけるグルーオン密度$xg$の曖昧さをどの程度解消できるか？
• RQ4 レプトン-核子散乱におけるLHeCの拡張された運動量領域（$Q^2$が4桁以上高い）は、原子核内における部分素粒子のダイナミクスおよびQGPの性質を解明できるか？
• RQ5 高光度$ep$散乱を用いた場合、LHeCはExotic Higgsボソン、ダークマター、または重いニュートリノの発見にどの程度の可能性を秘めているか？

主な発見

• LHeCのシミュレーションでは、$F_L$測定の総不確実性が$\delta F_L \simeq \pm0.02$と予測され、HERAの$\pm0.1$～$0.2$に比べ顕著な改善が図られる。
• 比$R = \sigma_L / \sigma_T$は、$R = 0.23 \pm 0.04$と高い精度で測定されると予想され、SLACのデータと整合的であり、理論的上限の0.37とも一致する。
• LHeCは、HERAの1,000倍以上にのぼる光度を達成し、複数の低エネルギー電子ビーム点での高統計的測定を可能にすることで、$F_L$抽出の精度が向上する。
• 追加のシリコンプレーンおよびハドロン的コロイメータを備えたバックワード検出器設計により、低エネルギー散乱電子のバックグラウンド低減と分解能向上が著しく実現される。
• LHeCは、小$ x $における$F_L$の最初の高精度テストを実現し、現在のグルーオン密度$xg$の曖昧さを解消し、高密度部分素粒子におけるpQCDの決定的テストを提供する。
• LHeCの$ep$計画により、高精度$ep$データと向上した$pp$光度を組み合わせることで、LHCがヒッグス工場に進化し、レアな崩壊モードの測定とQCD不確実性の低減が可能になる。