[論文レビュー] Future physics opportunities for high-density QCD at the LHC with heavy-ion and proton beams

Z. H. Citron, A. Dainese+183 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2018

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 6被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける重イオンおよび陽子ビームを用いた高密度QCDの未利用の物理的機会を概説し、ラン3およびラン4における高光度Pb–Pbおよびp–Pbプログラム、高多重度pp研究、および部分子飽和とQGP性質を調査するための短い酸素イオンランを提案する。また、特に電子–核および光子–光子衝突を通じて新しい運動的領域にアクセスできる、変革的プラットフォームとしてのHigh-Energy LHC（HE-LHC）を特定する。これにより、部分子ダイナミクスの精密なテストと飽和の始まりの解明が可能となる。

ABSTRACT

The future opportunities for high-density QCD studies with ion and proton beams at the LHC are presented. Four major scientific goals are identified: the characterisation of the macroscopic long wavelength Quark-Gluon Plasma (QGP) properties with unprecedented precision, the investigation of the microscopic parton dynamics underlying QGP properties, the development of a unified picture of particle production and QCD dynamics from small (pp) to large (nucleus--nucleus) systems, the exploration of parton densities in nuclei in a broad ($x$, $Q^2$) kinematic range and the search for the possible onset of parton saturation. In order to address these scientific goals, high-luminosity Pb-Pb and p-Pb programmes are considered as priorities for Runs 3 and 4, complemented by high-multiplicity studies in pp collisions and a short run with oxygen ions. High-luminosity runs with intermediate-mass nuclei, for example Ar or Kr, are considered as an appealing case for extending the heavy-ion programme at the LHC beyond Run 4. The potential of the High-Energy LHC to probe QCD matter with newly-available observables, at twice larger center-of-mass energies than the LHC, is investigated.

研究の動機と目的

• 高光度Pb–Pbおよびp–Pb衝突を用いて、Quark–Gluon Plasma（QGP）の巨視的性質を、未曾有の精度で特徴づけること。
• QGPの挙動の背後にある微視的部品子ダイナミクス、特に小スケールおよび大スケールの系においてを調査すること。
• ppから核–核衝突に至るまで、すべての系にわたる粒子生成およびQCDダイナミクスの統一的記述を実現すること。
• 広い(x, Q²)範囲における核内の部分子密度を調査し、部分子飽和の始まりを探索すること。
• High-Energy LHC（HE-LHC）が、特に√s = 14–15 TeVにおける電子–核および光子–光子衝突を通じて、新しい観測量を探索する可能性を評価すること。

提案手法

• ラン3およびラン4における高光度Pb–Pbおよびp–Pbプログラムを提唱し、QGP性質の高精度測定を実現すること。
• 高多重度pp衝突を推進し、系サイズ依存性および部分子飽和効果を調査すること。
• 核質量スキャンを拡張し、飽和の始まりを調査するために、短い酸素イオンランを推奨すること。
• ラン4以降の将来の重イオンプログラムにおいて、中質量核（例：Ar、Kr）を検討し、系の系統的性質を調査すること。
• HE-LHCにおける電子–核衝突の可能性を評価し、中心系エネルギーが√s ≈ 14–15 TeVに達し、小-xダイナミクスにアクセス可能となること。
• HE-LHCにおける超外的衝突（UPC）における光子–光子衝突を分析し、ローレンツ因子の増加（γ = 5650）とZ⁴比例の光子フラックスに起因し、√sγγ ≈ 320 GeVに達すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける高光度Pb–Pbおよびp–Pb衝突は、Quark–Gluon Plasma（QGP）の性質測定の精度をどのように向上させ得るか？
• RQ2 高多重度ppおよびp–Pb衝突における部分子飽和のシグネチャおよび運動的領域は何か？
• RQ3 HE-LHCにおける電子–核衝突は、小-xダイナミクスおよび核の部分子構造をどのように探査するか？
• RQ4 HE-LHCにおける光子–光子衝突は、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？
• RQ5 中質量核を用いたラン4以降の重イオンプログラムを最適化する戦略は何か？

主な発見

• ラン3およびラン4における高光度Pb–Pbおよびp–Pbプログラムは、QGP性質の高精度特徴づけを優先すべきである。
• 高多重度pp衝突は、小スケールから大スケールの系への遷移および部分子飽和の始まりを調査する上で不可欠である。
• 核質量スキャンを拡張し、飽和の始まりへの感受性を高めるために、酸素イオンの短いランが提案されている。
• ArやKrのような中質量核は、ラン4以降の重イオンプログラムを拡張する上で有望な候補と特定されている。
• HE-LHCは√s ≈ 14–15 TeVの中心系エネルギーを提供し、小-x領域への運動的領域へのアクセスを可能にする。
• HE-LHCにおける光子–光子衝突は、高いローレンツ因子（γ = 5650）とZ⁴比例の光子フラックスに起因し、√sγγ ≈ 320 GeVに達し、新しい物理の発見チャネルを開く。