[論文レビュー] Physics Program for the STAR/CBM eTOF Upgrade

the STAR Collaboration, The CBM Collaboration ETOF Group|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2016

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、RHICビームエネルギースキャンII（BES-II）計画のSTAR検出器に対するeTOF（エンドキャップ・タイム・オブ・フライト）アップグレードを提案しており、コライダー走行モードでは効果的でない急速度|y| = 1.2までの粒子同定（PID）を可能にし、固定標的にてんこりんモードでは中間急速度領域のPIDを実現する。このアップグレードにより、BES-IIのエネルギー範囲（3.0–19.6 GeV）における重要なギャップが埋められ、QCD相転移、臨界点のシグネチャー、および高密度バリオン物質中の効果の精密な研究が可能になる。

ABSTRACT

The STAR Collaboration and the CBM Collaboration institutions: Heidelberg, Darmstadt, CCNU, Tsinghua, and USTC propose to install an end-cap time-of-flight upgrade (eTOF) to the STAR detector for the RHIC beam energy scan phase II (BES-II) program in 2019 and 2020. BES-II will cover the collision energy range 3.0 to 19.6 GeV. This is the region of interest in the search for a critical point and first-order phase transition, identified by the results from BES-I and by model calculations. For the collider-mode portion of the energy scan, 7.7 to 19.6 GeV, eTOF will extend particle identification (PID) for pions, kaons, and protons to a rapidity of 1.2, complementing the inner Time Projection Chamber (iTPC) upgrade to the forward tracking. The rapidity coverage for PID would extend to only 0.8 without the eTOF upgrade. The eTOF upgrade will enable precision studies of the key bulk property observables, essential to the BES-II search. An internal fixed-target program will allow the energy scan to cover 3.0 to 7.7 GeV. The eTOF upgrade will provide essential mid-rapidity PID for the 4.5 to 7.7 GeV portion of the scan in fixed-target mode. Otherwise there would be a large energy gap in the middle of the BES-II program. A full description of the physics provided by the eTOF upgrade to STAR is presented in this note.

研究の動機と目的

• コライダー走行と内部固定標的走行を組み合わせることで、√sNN = 3.0から19.6 GeVの範囲でQCD相図の完全かつギャップのないカバーを実現する。
• コライダー走行モードにおいて、急速度|y| = 1.2までの粒子同定（PID）を拡張し、iTPCアップグレードと併せて受容性と分解能を向上させる。
• 固定標的プログラムにおける中間急速度PIDギャップ（4.5–7.7 GeV）を閉じ、バリオン化学ポテンシャルμB = 590–420 MeVの領域にアクセス可能にする。
• 急速度依存の観測量（流れ、フラクチュエーション、二重光子）の精密測定を可能にし、QCD相境界および臨界点を調べる。
• ハイパーヌクレオの生成およびベクトルメソンの媒体中での変化の研究を促進し、スピン対称性の回復と脱コンfinementを調べる。

提案手法

• 前方領域における既存のTOFおよびiTPCの受容性を超えるPID能力を拡張するために、新しいエンドキャップ・タイム・オブ・フライト（eTOF）検出器を設置する。
• eTOFとiTPCアップグレードを組み合わせることで、コライダー走行モードで|η| < 1.5および|y| < 1.2の領域で全粒子同定（π, K, p）を実現する。
• 内部固定標的モード（4.5–7.7 GeV）において、中心系フレームがブーストされることに起因して中間急速度領域が主検出器の受容性外に位置するため、eTOFを用いて中間急速度PIDを実現する。
• 急速度依存の解析手法を適用し、μBおよびTの関数としてのバルク観測量（v1, v2, フラクチュエーション）の進化を調べる。
• 凝集モデルおよびブレースト・ウェーブモデルを用いて、ハイパーヌクレオ（例：³ΛH）の生成と再構成効率をシミュレートし、eTOFによるPIDを活用する。
• 拡張されたPIDカバレッジを活用して、低質量二重光子信号を分離し、バリオン密度および源温度依存性を調べる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 eTOFによる拡張された急速度カバレッジは、QCD相境界および臨界点の位置に対する感度をどのように向上させるか？
• RQ2 固定標的モードにおける中間急速度PIDは、BES-IIスキャン全体にわたるバリオン化学ポテンシャルギャップ（μB = 590–420 MeV）をどの程度埋めることができるか？
• RQ3 方向流動および楕円流の急速度依存測定は、状態方程式の軟化および脱コンfinementの始まりをどの程度制約できるか？
• RQ4 保存量の増幅フラクチュエーションは、一次相転移付近での臨界挙動の明確なシグネチャーを提供できるか？
• RQ5 eTOFによるPIDを用いた場合、固定標的エネルギー範囲（4.5–7.7 GeV）における軽量ハイパーヌクレオ（例：³ΛH）の期待収量および検出可能性はどの程度か？

主な発見

• eTOFアップグレードにより、コライダー走行モードでPIDカバレッジが|y| = 1.2まで拡張され、iTPCのみの制限（|y| = 0.8）を超える急速度範囲での粒子同定が可能になった。
• eTOFがなければ、固定標的プログラムにおいてμB = 590–420 MeVの大きなギャップが生じるが、eTOFにより4.5–7.7 GeVで中間急速度PIDが可能となり、このギャップが埋められた。
• eTOFにより、³ΛHハイパーヌクレオの再構成効率が8倍に向上し、1日間の走行で200 GeVコライダーのデータと同等の統計が得られるようになる。
• 拡張されたPIDにより、急速度およびバリオン密度関数としての低質量二重光子放射の独立した研究が可能となり、ρメソンの幅拡大およびスピン対称性の回復を調べる上で不可欠である。
• v1およびv2の急速度依存測定により、状態方程式の軟化の確認が可能となり、相境界に対する制約が得られる。
• シミュレーションの結果、3.0–7.7 GeVの固定標的エネルギー範囲で、³ΛHおよび⁴ΛHハイパーヌクレオの有意なサンプルが得られ、ピーク収量は約4.5 GeVで観測される。