[論文レビュー] Letter of intent for ALICE 3: A next-generation heavy-ion experiment at the LHC

ALICE Collaboration|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 44

ひとこと要約

ALICE 3を提案する。衝突点近傍で高レート・超低質量のシリコンベース検出器を用い、LHCでの重 flavour、電磁、および小系のQGP物理を解明する。頂点検出、トラッキング、およびPIDを改善。

ABSTRACT

This document describes the plans of the ALICE Collaboration for a major upgrade of its detector, referred to as ALICE 3, which is proposed for physics data-taking in the LHC Run 5 and beyond. ALICE 3 will enable an extensive programme to fully exploit the LHC for the study of the properties of strongly interacting matter with high-energy nuclear collisions. The proposed detector layout, based on advanced silicon sensors, features superb pointing resolution, excellent tracking and particle identification over a large acceptance and high readout-rate capabilities. This document discusses the proposed physics programme, the detector concept, and its physics performance for a suite of benchmark measurements.

研究の動機と目的

• Run 4後のLHCでのQGPと重 flavourダイナミクスに関する未解決の問題に対処する次世代検出器を動機付ける。
• 極低材料量、非常に近い頂点検出、高レート能力を備え、精密な重 flavour、電磁、そして異常状態の測定を可能にする。
• Pb–Pbおよび小系での新規 CMOS ベース、高読み出し検出器の物理性能の利点を示す。
• ALICE 3 の影響を重イオンおよびppプログラム全体で最適化するための必要なR&D、輝度シナリオ、運用計画を概説する。

提案手法

• 薄さ約30マイクロメートルに薄型化したウェハスケール CMOS Active Pixel Sensors を円筒状に曲げ、材料を最小化した検出器概念を提案。
• 外部トラッカーを、材質量を抑えつつ大域受理域で ~1-2% の運動量分解能を達成するバレルおよびエンドキャップ層を説明。
• 時刻情報とリングイメージングチェレンコフ検出器（silicon timing sensors）による粒子識別を実装。
• 正電子対のコンバージョンを通じた非常に低pTでの光子を測定する前方コンバージョントラッカーを組み込み、高速データ取得を計画。
• 現在の能力を超えるシリコントラッキング、タイミング、光子センサーを進化させるR&Dプログラムを計画。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QGPの輸送、ハドロン化、QGP特性を分離するには、重 flavour（チャームとビリティ）のハドロン測定にどの程度の精度が必要か？
• RQ2 ultra低質量・高分解能頂点検出と高レートデータ取得で、LHCでのマルチ重 flavour ハドロン、異常状態、熱ダイレプトンの測定をどう可能にするか？
• RQ3 ALICE 3の物理到達域をPb–Pb走行を超えて最大化する最適なイオン種と輝度は何か？
• RQ4 電磁探針（ダイレプトン、光子）はQGPの進化とキラル対称性の復元を追跡するほど差分測定可能か？
• RQ5 ALICE 3の能力で、新しいハドニックおよび超標準模型以降の機会（例：アクシオン様粒子）は何が得られるか？

主な発見

• ALICE 3は、指向性の改善と読み出しレートによって熱スケールまでの高精度な重 flavour 測定を可能にする。
• 検出器概念は相互作用点近くのトラッキングを支持し、広い快速域と材料量の削減を達成する。
• CMOSベースのセンサーと自動モジュール統合により、大量生産と低 pT でのトラッキング効率が向上する。
• 設計は多重微分可能な電磁測定と前方の光子コンバージョン研究を促進し、キラル対称性と初期のQGP進化に関する洞察を提供する。
• 投影研究は、重 flavour バリオン測定、多重チャーム状態、クォークニア、そして di-electron/di-photon チャネルで現状の能力より大幅な改善を示す。
• 軽イオン種での輝度最適化は、核子-核子輝度を大幅に高め、ALICE 3の物理プログラムを拡張する可能性。