[論文レビュー] Quarkonium-photoproduction prospects at a fixed-target experiment at the LHC (AFTER@LHC)

L. Massacrier, Jean-Philippe Lansberg+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCの固定標的にしてAFTER@LHC実験を用いて、$p$H$^\uparrow$およびPbH$^\uparrow$衝突における$J/\psi$の排他的光生成を研究することを提案する。偏極水素標的を用いることで、グルーオンのヘリシティ反転一般化一部分布関数（GPD）$E_g$に敏感な単一横方向スピン非対称性（STSA）にアクセスできる。予想される年間$J/\psi$イベント数は約200,000であり、$A_N$の統計的精度が10%未満であることが示され、グルーオンの非ゼロ$E_g$の最初の可能性のある測定が得られる。

ABSTRACT

We report on the potentialities offered by a fixed-target experiment at the LHC using the proton and ion LHC beams (AFTER@LHC project) regarding the study of J/psi exclusive-photoproduction in pA and AA collisions. The foreseen usage of polarised targets (hydrogen, deuteron, helium) gives access to measurements of the Single-Transverse-Spin Asymmetries of this exclusive process, therefore allowing one to access the helicity-flip Generalised Parton Distribution (GPD) Eg. We detail the expected yields of photoproduced J/psi in proton-hydrogen and lead-hydrogen collisions and discuss the statistical uncertainties on the asymmetry measurement for one year of data taking at the LHC.

研究の動機と目的

• LHCの高エネルギー固定標的モードを用いて、高運動量分率$ x $におけるヌクレオンおよび核の三次元的構造を調査すること。
• 排他的$J/\psi$光生成における単一横方向スピン非対称性（STSA）を測定し、グルーオンの全角運動量を記述する未知のグルーオンGPD $E_g$にアクセスすること。
• AFTER@LHCにおける偏極水素および重水素標的を用いた$A_N$の高統計的精度での測定可能性を評価すること。
• $pA$および$AA$衝突におけるクォーカー二体生成を通じて、Quark-Gluon Plasma（QGP）の新たなプローブを提供すること。これにより、既存の加速器データと補完的となる。

提案手法

• STARLIGHTモンテカルロジェネレータを用いて、AFTER@LHCエネルギー下での$p$H$^\uparrow$およびPbH$^\uparrow$衝突における$J/\psi$の光生成断面積をシミュレートする。
• 実際の収量推定のため、LHCbに類似した検出器の受容性を定義するために、運動学的カット（$2 < \eta_{\rm lab}^\mu < 5$、$p_{\rm T}^\mu > 0.4$ GeV/c）を適用する。
• 貯蔵セル標的技術を想定し、年間100 nb$^{-1}$の予想レイテンシーに基づいて、年間$J/\psi$収量を推定する。
• 式$u_{A_N} = \frac{2}{P(N^\uparrow + N^\downarrow)^2} \sqrt{N^{\downarrow 2} u^{\uparrow 2} + N^{\uparrow 2} u^{\downarrow 2}}$を用いて、単一横方向スピン非対称性$A_N$の統計的不確実性を計算する。ここで$P$は標的の偏極度である。
• Feynman-$x$（$x_{\rm F}$）を関数としての微分的$A_N$測定を実施し、$E_g$の$x$依存性にアクセスする。
• $p$H$^\uparrow$およびPbH$^\uparrow$衝突系を用いて、軽いおよび重いイオン標的へのアクセスを可能とし、異なる核環境下での$E_g$の比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AFTER@LHC実験は、偏極標的を用いた高精度なSTSA測定を可能にする十分な$J/\psi$光生成収量を達成できるか？
• RQ2 1年間のデータ取得後、$p$H$^\uparrow$衝突における排他的$J/\psi$光生成の単一横方向スピン非対称性$A_N$の期待される統計的不確実性は何か？
• RQ3 $J/\psi$光生成における$A_N$非対称性は、グルーオンGPD $E_g$に敏感な測定可能な信号を提供するか？
• RQ4 AFTER@LHCエネルギー下での$p$H$^\uparrow$およびPbH$^\uparrow$衝突において、$J/\psi$収量および$A_N$感度はどのように異なるか？
• RQ5 $x_{\rm F}$で微分的に$A_N$非対称性を測定できるか？これにより$E_g$の$x$依存性を抽出できるか？

主な発見

• 100 nb$^{-1}$のレイテンシーとLHCbに類似た受容性を仮定した場合、$p$H$^\uparrow$衝突で年間約200,000件の排他的$J/\psi$光生成イベントが予想される。
• 1年間のデータ取得後、$p$H$^\uparrow$衝突における単一横方向スピン非対称性$A_N$の統計的不確実性は10%未満であると予想される。
• 非ゼロの$A_N$が観測されれば、現在ほとんど制約がなく、未だ不明なグルーオンGPD $E_g$の非ゼロである最初の直接的実験的証拠となる。
• $x_{\rm F}$で微分的に$A_N$を測定可能であり、ヌクレオン内グルーオン分布の詳細なトモグラフィックな研究が可能になる。
• PbH$^\uparrow$衝突では、同じ受容性下で年間約1,000件の$J/\psi$イベントが予想され、核GPD研究の補完的チャネルを提供する。
• 本研究は、AFTER@LHCが偏極標的を用いた$J/\psi$光生成を通じてグルーオンのスピンおよび運動量構造を独自に探査できる位置に置かれていることを確立した。