[論文レビュー] Measurement of forward direct photon production in p-A at the LHC with ALICE - A probe for nuclear PDFs and saturation

T. Peitzmann|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2016

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCのALICE実験における前方電磁カルシウム計器（FoCal）のアップグレードを提案し、p–Pb衝突における前方急速度（3.5 < η < 5）での直接的光子の測定を目的としている。CMOSセンサの高いグレイン感度を活用して、高エネルギー中性パイオンからの重なり合うショワを解体することで、グルーオン飽和と小xにおける核子PDFを調べるのに適した直接的光子を分離することを目的としている。シミュレーションの結果、統合された光度が50 nb⁻¹に達する場合、核子修飾因子R_{pPb}の系統的不確かさを約5%に抑えることができ、飽和効果の明確でモデルに依存しない検証が可能となる。

ABSTRACT

Probes for the small-x parton densities and predicted effects of gluon saturation are discussed. At very low x and intermediate Q, only results on hadronic observables at the LHC are available, which do not provide unambiguous information. It is shown that the measurement of direct photons at forward rapidity at the LHC is particularly promising to provide a unique signal. We further discuss the possibilities to perform such measurements with a detector upgrade in the ALICE experiment and present the R&amp;D activities ongoing.

研究の動機と目的

• グルーオン飽和の明確な実験的証拠が不足している現状に対処し、前方急速度での直接的光子の測定を実施すること。
• 最終状態相互作用や理論的不確実性の影響を受けるハドロン的観測量の限界を克服すること。
• 高グレイン感度の電磁カルシウム計器を設計し、高エネルギー中性パイオンからの近接するショワを解体できるようにすること。
• 直接的光子の核子修飾因子R_{pPb}を高精度で測定し、小xにおけるパートンダイナミクスの明確なプローブを提供すること。
• 強い相互作用を介さない電磁プローブを用いることで、核子PDFおよび飽和研究における系統的不確実性を低減すること。

提案手法

• x ≈ 10⁻⁵およびQ ≈ p_T > 4 GeVにおけるグルーオン分布へのアクセスを図るため、3.5 < η < 5をカバーする前方カルシウム計器（FoCal）を設計する。
• サブミリメートルスケールのショワ分離を達成するため、高（HG）および低（LG）グレイン感度の層を組み合わせたSi-Wスパイラル構造を実装する。
• ピクセルサイズ30×30 μm²、Molière半径約11 mmのCMOSセンサを用い、パイオンの崩壊に起因する重なり合うショワを解体する。
• 即座で孤立した性質を示す直接的光子を背景から抑制するため、分離カットを適用する。
• エネルギースケールおよび効率の系統的不確実性を含めた性能推定のため、詳細なモンテカルロシミュレーションを実施する。
• CERN SPSでMIMOSA23センサ（3900万ピクセル）を用いたプロトタイプ開発と研究を行い、2つのショワ分離能力を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 p–Pb衝突における前方急速度での直接的光子測定は、核内のグルーオン飽和を明確でモデルに依存しないプローブとして提供できるか？
• RQ2 高グレイン感度カルシウム計器は、高エネルギーパイオン崩壊に起因するショワの重なりをどの程度解体できるか？
• RQ3 エネルギースケールおよび検出効率の系統的不確実性は、直接的光子のR_{pPb}測定の精度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 FoCal検出器設計は、R_{pPb}の系統的不確実性を5%未満に抑えるために必要な性能を達成できるか？
• RQ5 最終状態相互作用はハドロン的観測量にどのような役割を果たすか？直接的光子を用いることで、これらの不確実性はどのように軽減されるか？

主な発見

• シミュレーションの結果、統合光度が50 nb⁻¹に達する場合、FoCal検出器は直接的光子の核子修飾因子R_{pPb}を約5%の系統的不確実性で測定可能である。
• 約1 mm²ピクセルサイズの高グレイン感度（HG）層は、高エネルギー中性パイオンからの重なり合うショワを解体するために不可欠であり、効果的なバックグラウンド抑制を可能にする。
• MIMOSA23センサを用いたプロトタイプCMOSカルシウム計器は、数ミリメートルの距離まで2つのショワ分離を成功裏に実証し、コア技術の妥当性を検証した。
• プロトタイプは約11 mmのMolière半径を達成しており、高エネルギー崩壊光子に起因する近接するショワを解体するのに十分小さい。
• CMOSセンサは低材料バジェットと高いピクセル密度を備えており、Molière半径を最小限に抑え、ショワ分解能を最大化するのに最適である。
• FoCalアップグレードは、小xにおける核子PDFを制約し、グルーオン飽和モデルの予測を検証するための、最も有望な近い将来の手段と特定された。