[論文レビュー] Letter of intent; Precise measurements of very forward particle production at RHIC

Y. Itow, H. Menjo+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、RHICのZDCスロットにLHCfに類似した電磁カルシウム器を設置し、対称性がη > 6の前向き光子、中性子、π⁰メソンの高精度測定を実現することを提案する。既存のLHCf検出器を活用し、500 GeV p-pおよび200 GeV p-N衝突で運用することで、宇宙線空気シャワーのシミュレーションに用いられるハドロン相互作用モデルの改善、広い√s範囲におけるフェインマンスケーリングの検証、および画期的な分解能を実現する前向き中性子スピン非対称性の研究を目的としている。

ABSTRACT

In this paper, we propose an experiment for the precise measurements of very forward particle production at RHIC. The proposal is to install a LHCf-like calorimeter in the ZDC installation slot at one of the RHIC interaction points. By installing a high-resolution electromagnetic calorimeter at this location we measure the spectra of photons, neutrons and pi0 at pseudo rapidity eta above 6. The new measurements at 500 GeV p-p collisions contribute to improve the hadronic interaction models used in the cosmic-ray air shower simulations. Using a similar kinematic coverage at RHIC to that of the measurements at LHC, we can test the Feynman scaling with a wide energy range and make the extrapolation of models into cosmic-ray energy more reliable. Combination of a high position resolution of the LHCf detector and a high energy resolution of the ZDC makes it possible to determine pT of forward neutrons with the ever best resolution. This enables us to study the forward neutron spin asymmetry discovered at RHIC in more detail. Another new experiment expected at RHIC is world-first light-ion collisions. Cosmic-ray interaction models have been so far tested with accelerator data, but colliders have provided only p-p and heavy-ion collisions. To simulate the interaction between cosmic-ray particles and atmosphere, collision of light ions like nitrogen is a ultimate goal for the cosmic-ray physics. We propose 200 GeV p-N collisions together with 200 GeV p-p collisions to study the nuclear effects in the forward particle production. The experiment can be performed by using the existing LHCf detector. Considering the geometry and response of one of the LHCf detectors, we propose some short dedicated operations. Ideal beam conditions are summarized in this paper. Our basic idea is to bring one of the LHCf detectors to RHIC and then operate from 2016 season at RHIC.

研究の動機と目的

• RHICにおける非常に前向きな粒子生成の測定を通じて、宇宙線空気シャワーのシミュレーションの精度を向上させること。
• 500 GeV p-pおよび200 GeV p-N衝突からのデータを用いて、空気シャワーのシミュレーションに用いられるハドロン相互作用モデルの妥当性を検証すること。
• 測定範囲の√sを拡大することで、モデルを超高エネルギー宇宙線（UHECR）領域へ信頼性高く外挿するための基盤を提供すること。
• プロトンが窒素核と衝突する200 GeV p-N衝突を用いて、前向き粒子生成における核効果を調査し、プロトン-プロトン衝突と比較すること。
• 水平方向のプロトンビーム偏光を用いて、改善された検出器幾何学と高い横運動量分解能を実現し、前向き中性子スピン非対称性を高分解能で測定すること。

提案手法

• RHICの1つの衝突点のZDC設置スロットに、高分解能の電磁カルシウム器を設置する。
• TeVスケールの前向き粒子検出に最適化された既存のLHCf検出器をRHICへの導入に活用する。
• 光度がそれぞれ6×10²⁹、4×10³¹、7×10³⁰ cm⁻²s⁻¹である500 GeV p-p、200 GeV p-p、200 GeV p-N衝突において、短時間の専用運用を実施する。
• 角発散を最小限に抑えるために、ビームをアンスケイズド状態に保つ。
• 高位置分解能のLHCf検出器と高エネルギー分解能のZDCを組み合わせることで、前向き中性子の最適なpT分解能を達成する。
• データ取得のため、ビーム誘発タイミング信号とRFクロック同期を実装し、ホスト実験と併用可能なフラグ交換または共通トリガーを想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 500 GeV p-pおよび200 GeV p-N衝突における√sの変化に伴い、η > 6の領域の前向き粒子スペクトル（光子、π⁰、中性子）はどのように変化するか？
• RQ2 200 GeVから500 GeVの√s範囲においてフェインマンスケーリングはどの程度成立し、UHECRエネルギーへのモデル外挿にどのような影響を及えるか？
• RQ3 プロトンが窒素核と衝突する際の前向き粒子生成における核効果は何か？これはプロトン-プロトン衝突とどのように比較できるか？
• RQ4 水平ビーム偏光と改善された検出器幾何学を用いることで、RHICで観測された前向き中性子スピン非対称性を、より高いpT分解能で測定可能か？
• RQ5 現実のRHICビーム条件下で、検出器の系統誤差およびパイルアップが、前向き中性粒子の測定にどのように影響を与えるか？

主な発見

• スピン非対称性測定のための0.1 pb⁻¹の統合光度を取得するには、光度2.5×10³⁰ cm⁻²s⁻¹で500 GeV p-p衝突を約11時間運用する必要がある。
• 500 GeV p-p衝突では、光度6.3×10²⁹ cm⁻²s⁻¹の条件下で、総非弾性断面積50 mbを仮定すると10⁶イベントが予想される。
• 200 GeV p-N衝突では、光度6.7×10³⁰ cm⁻²s⁻¹かつ総非弾性断面積330 mbの条件下で、10⁶ RHICfイベントが予想される。
• 検出器は1バッチクロージングあたり2.1×10⁻³のパイルアップ率を示すと予想され、バックグラウンド干渉が低減することが期待される。
• ZDCの前に検出器を配置するためのマニピュレータの使用は、コスト約10 kUSDで実現可能であり、垂直方向の移動が可能でビームラインへの干渉を最小限に抑えられる。
• 提案された運用スケジュールにより、特別運用中のデータ取得が可能となり、低.emitanceおよび大きなβ*を設定することで角発散を低減する条件が整う。