[論文レビュー] Letter of Intent: the NA60+ experiment

C. Ahdida, G. Alocco+60 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2022

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 171被引用数 6

ひとこと要約

NA60+ は、CERN の SPS で固定標的に基づく実験を提案し、20 から 158 A GeV のビームエネルギー・スキャンを対象として、高 baryo化学ポテンシャル (μB) の下でのクォーク- gluon プラズマ (QGP) を、二重ミューオンおよび重いフレーバー探針を用いて研究することを目的としている。この実験では、トロイダル磁石を備えたミューオンスペンダムと、シリコン MAPS バーテックススペンダムを用い、熱的二重レプトン、開放charm、チアロニウム、ハイパーヌクレオを測定する。1 秒あたり 10⁶ 個の入射イオンを達成し、臨界点付近の QCD 相図を調べることを目的としている。

ABSTRACT

We propose a new fixed-target experiment for the study of electromagnetic and hard probes of the Quark-Gluon Plasma (QGP) in heavy-ion collisions at the CERN SPS. The experiment aims at performing measurements of the dimuon spectrum from threshold up to the charmonium region, and of hadronic decays of charm and strange hadrons. It is based on a muon spectrometer, which includes a toroidal magnet and six planes of tracking detectors, coupled to a vertex spectrometer, equipped with Si MAPS immersed in a dipole field. High luminosity is an essential requirement for the experiment, with the goal of taking data with 10$^6$ incident ions/s, at collision energies ranging from $\sqrt{s_{ m NN}} = 6.3$ GeV ($E_{ m lab}= 20$ A GeV) to top SPS energy ($\sqrt{s_{ m NN}} = 17.3$ GeV, $E_{ m lab}= 158$ A GeV). This document presents the physics motivation, the foreseen experimental set-up including integration and radioprotection studies, the current detector choices together with the status of the corresponding R&D, and the outcome of physics performance studies. A preliminary cost evaluation is also carried out.

研究の動機と目的

• CERN SPS における Pb–Pb 衝突において、電磁的およびハードプローブを測定することで、高 baryo化学ポテンシャル (μB) における QCD 相図を調べること。
• 臨界点付近のチャーミカル相転移および QGP の性質を、熱的二重レプトンスペクトルとチャーミカル混合を用いて調べること。
• 開放charm生成とチアロニウムの抑制を用いて、QGP の輸送特性を測定すること。
• このエネルギー範囲で初めて、ストレンジネスおよびハイパーヌクレオの生成を調べ、QGP の化学的性質およびハイパーヌオン-核子相互作用についての知見を得ること。
• √sNN = 6.3 GeV から 17.3 GeV のビームエネルギー・スキャンにわたって 10⁶ 粒子/秒の高出力で、QGP の生成および相転移をマップすること。

提案手法

• 実験は、グラファイト吸収体の上流・中流・下流にそれぞれ2つのトラッキングステーションを持つ、温熱トロイダル磁石を備えたミューオンスペンダムを用い、二重ミューオン崩壊からのミューオンを検出する。
• ダイポール磁場に配置されたシリコン MAPS センサを備えたバーテックススペンダムにより、charm および奇妙ハドロンのような短寿命粒子の高精度なバーテックス再構成が可能となる。
• 検出器システムは、高レート動作を想定しており、20 から 158 A GeV/nucleon のビームエネルギーをスキャンすることで、QCD 相図にわたる μB の変動を探索する。
• トラッキングシステムは、マルチワイヤープロポーショナルチェンバー (MWPCs) または3枚のフィルム GEMs を用い、両技術ともプロトタイプの試験が進行中である。
• 放射線防護およびシールドは、FLUKA シミュレーションと 1:5 スケールのフルスケール磁石プロトタイプを用いて設計され、安全性と性能を確保する。
• 物理学的性能評価では、高速シミュレーション、GEANT4、FLUKA を用い、全エネルギー範囲にわたる再構成効率、質量分解能、検出器応答の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD 相転移付近の二重ミューオンスペクトルで観測される ρ–a₁ 混合において、チャーミカル対称性の回復はどのように現れるか？
• RQ2 高 μB における強い相互作用物質のカルオリック曲線は何か？ そして、これは相転移の性質をどのように反映するか？
• RQ3 熱的二重レプトンの楕円流れはビームエネルギーにどのように依存するか？ そして、これは QGP の集団的挙動をどのように明らかにするか？
• RQ4 開放charm生成とそのエネルギー依存性から、QGP の輸送特性はどのように調べられるか？
• RQ5 チアロニウムの抑制 (J/ψ, ψ(2S), χc) はビームエネルギーにどのように依存するか？ そして、これは脱コンfinementおよび物質効果をどのように明らかにするか？

主な発見

• NA60+ 実験は、20 から 158 A GeV/nucleon のビームエネルギー・スキャンにわたって、1 秒あたり 10⁶ 個の入射イオンを達成し、QGP プローブの高精度測定を可能にする。
• ダイポール磁場に配置されたシリコン MAPS を用いたバーテックススペンダムは、charm ハドロンのような短寿命粒子の再構成に適した空間分解能を達成すると予想される。
• ミューオンスペンダムのトラッキングシステムは、MWPCs や GEMs を用いるが、二重ミューオンスペクトルにおける J/ψ および ψ(2S) ピークの分解能に十分な運動量分解能を達成すると予想される。
• トロイダル磁石の 1:5 スケールプロトタイプは、機械的および電磁的設計を検証し、インダクタンス、抵抗、磁場分布の制御が可能であることを確認した。
• 放射線防護の研究では、鉄とコンクリートからなるシールドレイアウトが、即時のおよび残留線量率を CERN の安全基準以内に低下させられることを示した。
• 全実験の予備的な費用見積もりは 10 から 13 MCHF であり、サブシステム別に 2.5–3.1 MCHF (バーテックススペンダム)、2.7–4.0 MCHF (ミューオンスペンダム)、3.8 MCHF (トロイダル磁石)、1.5 MCHF (シールドおよび RP モニタ) となる。