[論文レビュー] INFN What Next: Ultra-relativistic Heavy-Ion Collisions

A. Dainese, G. Venanzoni+139 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2016

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 440被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、イタリアにおける超相対論的重イオン物理学の今後の研究方針を概説しており、LHCにおけるALICE実験のアップグレードを通じてクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）の高精度な特徴付けを図るとともに、SPSでの新規固定標的ジムーオン実験を提案し、脱コンfinementの始まりと手術的対称性の回復を解明することを目的としている。理論的モデリング、実験的観測量、加速器技術の研究開発を統合し、高エネルギーおよび低エネルギー領域におけるQCD相図をマッピングする。

ABSTRACT

This document was prepared by the community that is active in Italy, within INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), in the field of ultra-relativistic heavy-ion collisions. The experimental study of the phase diagram of strongly-interacting matter and of the Quark-Gluon Plasma (QGP) deconfined state will proceed, in the next 10-15 years, along two directions: the high-energy regime at RHIC and at the LHC, and the low-energy regime at FAIR, NICA, SPS and RHIC. The Italian community is strongly involved in the present and future programme of the ALICE experiment, the upgrade of which will open, in the 2020s, a new phase of high-precision characterisation of the QGP properties at the LHC. As a complement of this main activity, there is a growing interest in a possible future experiment at the SPS, which would target the search for the onset of deconfinement using dimuon measurements. On a longer timescale, the community looks with interest at the ongoing studies and discussions on a possible fixed-target programme using the LHC ion beams and on the Future Circular Collider.

研究の動機と目的

• 今後10〜15年間におけるイタリアの超相対論的重イオン衝突に関する研究戦略ロードマップを策定すること。
• LHCにおけるALICE実験のアップグレードを通じて、クォーク-グルーオンプラズマ（QGP）の高精度な特徴付けを進める。
• SPSでの提案された固定標的ジムーオン実験を通じて、脱コンフィnementの始まりと手術的対称性の回復を解明すること。
• 将来の施設、特にLHCイオンビームを用いた固定標的プログラムおよび将来の円形衝突型加速器（FCC）の実現可能性と科学的潜在能力を評価すること。
• LHCの高エネルギープログラムと、FAIR、NICA、SPSにおける低エネルギーイニシアチブとの相乗効果を確保すること。

提案手法

• RHICおよびLHCからのデータとQCD相転移の理論的モデリングを統合した段階的実験プログラムを提案する。
• オープン重フレーバー、クォーカーニア、ジェット、ジレプトンといったハードプローブを、QGPの性質を調べる感受性の高いツールとして活用する。
• 格子QCD計算と輸送モデルを統合し、実験的観測量を解釈し、スペクトル関数を制約する。
• 熱的ジレプトン放射を測定し、手術的対称性の回復の痕跡を検出できるように、SPSに専用のジムーオン実験を推奨する。
• 湾曲結晶を用いたビームコリメーションと、将来的なLHCでの固定標的運用の技術的実現可能性を評価する。
• Pb-Pb、p-Pb、p-p衝突を想定したFCCの将来の性能をモデル化し、全ラウンドおよびエネルギー範囲を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アップグレードされたALICE検出器を用いたLHCで、どのようなQGPの性質が測定可能か？
• RQ2 SPSにおけるジムーオン測定は、QCD相図の臨界点付近での脱コンフィnementの始まりと手術的対称性の回復をどのように解明できるか？
• RQ3 LHCイオンビームを用いた固定標的実験は、重フレーバーおよびクォーカーニア物理学において、どのような科学的潜在能力を有するか？
• RQ4 格子QCD計算と輸送モデルは、QCD相図とスペクトル関数をどのように制約するか？
• RQ5 将来のLHCおよびFCCにおける固定標的プログラムの技術的および物理学的要件は何か？

主な発見

• ALICEのアップグレードにより、2020年代にオープン重フレーバー、クォーカーニア、ジェット、低質量ジレプトンの高精度測定が可能になる。
• SPSにおけるジムーオン測定は、QCD相図の臨界点付近での手術的対称性の回復の直接的証拠を提供する可能性がある。
• 格子QCD計算の結果、charm度数の自由度を含めると、QCD状態方程式および相構造に顕著な影響を与える。
• 実現可能性調査により、湾曲結晶を用いたビームコリメーションがLHCイオンビームに適用可能であることが確認され、将来的な固定標的運用が可能となる。
• 理論的モデリングにより、FCCではPb-Pb衝突において10^30 cm⁻²s⁻¹を超える全ラウンドが達成可能であり、未曾有の精度が得られることが示唆されている。
• 専用のSPS実験により、特に臨界エンドポイントを含む低エネルギー領域におけるQCD相図の構造を解明できる可能性がある。