[論文レビュー] Physics of High-Mass Dimuon Production at the 50-GeV Proton Synchrotron

J. C. Peng, G. T. Garvey+3 more|ArXiv.org|Jul 28, 2000

Superconducting Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、50-GeVプロトンシンクロトロンにおけるディムューイン・スペンダーメータを提案し、p+pおよびp+d衝突における高質量Drell-Yan過程を研究することで、海クォークのフラバー非対称性、陽子の反クォーク分布の核物質効果、およびL²スケーリングによる部分的エネルギー損失の可能性のある検出を可能にする。シミュレーションにより、1×10¹²プロトンのスパイル強度で、スケーリング違反およびJ/Ψ生成に対する高い感度が得られると示されている。

ABSTRACT

We discuss the physics interest and the experimental feasibility for detecting high-mass dimuon pairs using the planned 50-GeV Proton Synchrotron (PS) at the KEK/JHF and JAERI/NSP joint accelerator project. The Drell-Yan measurement of $p+d$ versus $p+p$ at 50 GeV will provide unique information on the flavor asymmetry of proton's up and down sea-quark distributions in the large-$x$ region. A study of the nuclear dependences of Drell-Yan cross sections can reveal the modification of antiquark distributions in nuclei. Furthermore, the effect of energy loss for fast partons traversing nuclear medium could also be sensitively measured. If polarized proton beam becomes available at the 50-GeV PS, unique information on the sea-quark polarization could be obtained. Study of heavy quarkonium production at the 50-GeV PS can set important constraints on the mechanism of vector meson productions. Using a prototype dimuon spectrometer, we have simulated the sensitivities for a variety of measurements.

研究の動機と目的

• p+dとp+pのDrell-Yan断面積比を用いて、大x領域における上・下海クォークのフラバー非対称性を測定すること。
• Drell-Yan断面積の核依存性を用いて、反クォーク分布の核物質効果を調べること。
• BDMPSおよびZakharovが予測する、冷核物質内における部分的エネルギー損失のL²依存性を検証すること。
• 50 GeVおよび800 GeVでの断面積比較により、Drell-Yan過程におけるスケーリング違反を調査すること。
• 低エネルギーでのJ/ΨおよびΨ′生成を研究し、既存のデータをより低いビームエネルギーへ拡張すること。

提案手法

• Drell-Yan過程からの高質量ディムュー対を検出するため、2つの電磁石（8 T·mおよび0.5 GeV/cの運動量キック）を備えたプロトタイプ・ディムューイン・スペンダーメータを用いる。
• ミューオン運動量および開口角とインバリアント質量およびxFとの関係を記述する運動学的式を適用し、50-GeVビームではγf = 5.259を用いる。
• ビーム強度が1×10¹²プロトン/3秒間のスパイル、データ取得効率50%の条件下で、高速モンテカルロコードを用いて検出器応答をシミュレートする。
• 磁気剛性および検出器幾何学的配置を最適化することで、xF > 0および3 GeV/cまでの横運動量に対して高い受容度を達成する。
• 将来的な最適化のため、GEANTベースのシミュレーションを用いてDrell-Yan断面積およびバックグラウンド抑制をモデル化する。
• 同じスペンダーメータ設計を用いて、極化プロトン衝突および重イオンビームの研究を進め、物理的探査範囲を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大Bjorken-x領域における陽子の海クォーク分布のフラバー非対称性は何か？特にuとdの反クォークの間でどのように異なるか？
• RQ2 核内の反クォーク分布は自由核子のものとどのように異なるのか？これにより核物質効果について何が明らかになるか？
• RQ3 Drell-Yan断面積の核依存性は、BDMPSおよびZakharovが予測するL²スケーリングに従うか？
• RQ4 50 GeVにおけるDrell-Yan過程のスケーリング違反は観測可能か？800 GeVと比較して断面積が2倍に増加するか？
• RQ5 50-GeV PSは、プロトン誘発反応におけるJ/ΨおよびΨ′生成メカニズムについて、新たな制約を提供できるか？

主な発見

• 50-GeV PS実験では、RHICスピン計画の範囲を超えて、大x領域におけるd̄/ū非対称性の感度が得られる。
• 予想されるディムュー生成率により、1×10¹²プロトン/スパイルの条件下で60日間のデータ収集で、σ(pd)/2σ(pp)の統計誤差推定が現実的に行える。
• 50 GeVにおけるディムューの開口角は800 GeVの約4倍大きく、角度分解能および検出器受容度が向上する。
• スペンダーメータ設計により、合計で約7–10 T·mの磁気剛性が達成され、最初の電磁石で8 T·mを提供し、M > 5 GeVの領域で良好な運動量分解能が得られる。
• シミュレーションにより、低ビームエネルギーにおけるエネルギー損失の割合が増加するため、L²依存性の検証が高感度で可能であると示唆されている。
• スケーリング違反が50 GeVで明確に確立可能であり、800 GeVと比較して断面積が予測される約2倍に増加することが示された。