[論文レビュー] Tagged EMC Measurements on Light Nuclei

W. Armstrong, J. Arrington+51 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Nuclear physics research studies参考文献 26被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、低エネルギー再結合トラッカー（ALERT）を用いて、軽い原子核（重水素および⁴He）におけるタグ付き深接続散乱（DIS）測定を提案する。ALERTにより、低運動量のそばがら再結合（p, ³H, ³He）を検出することで、初期運動量を介したヌクレオンの仮想性にアクセスし、モデルに依存しないEMC効果の解明が可能になる。実験では11 GeVの偏光電子と高出力のCLAS12を用い、タグ付きEMC比および一般化部分子分布（GPDs）を測定し、核物質効果の厳密な検証と、部分子構造における平均場と短距離相関（SRC）ダイナミクスの区別を実現する。

ABSTRACT

We propose to measure tagged deep inelastic scattering from light nuclei (deuterium and $^4$He) by detecting the low energy nuclear spectator recoil (p, $^3$H and $^3$He) in addition to the scattered electron. The proposed experiment will provide stringent tests leading to clear differentiation between the many models describing the EMC effect, by accessing the bound nucleon virtuality through its initial momentum at the point of interaction. Indeed, conventional nuclear physics explanations of the EMC effect mainly based on Fermi motion and binding effects yield very different predictions than more exotic scenarios, where bound nucleons basically loose their identity when embedded in the nuclear medium. By distinguishing events where the interacting nucleon was slow, as described by a mean field scenario, or fast, very likely belonging to a correlated pair, will clearly indicate which phenomenon is relevant to explain the EMC effect. An important challenge for such measurements using nuclear spectators is the control of the theoretical framework and, in particular, final state interactions. This experiment will directly provide the necessary data needed to test our understanding of spectator tagging and final state interactions in $^2$H and $^4$He and their impact on the semi-inclusive measurements of the EMC effect described above.

研究の動機と目的

• 低エネルギー再結合そばがらのタグギングを通じて、束縛ヌクレオンにおける平均場と短距離相関（SRC）ダイナミクスを区別することにより、EMC効果の起源を直接探査すること。
• ヌクレオンの非オンシェル状態（初期運動量）を関数としてタグ付きEMC比を測定し、EMC効果の競合するモデルを検証すること。
• 高精度な再結合検出を用いた半完全な、そばがらタグ付き深接続散乱により、束縛ヌクレオンの部分子的構造を研究すること。
• 重水素における準自由中性子反応と⁴Heにおける相関する陽子-中性子対の反応を比較することで、一般化部分子分布（GPDs）における核物質効果を分離・解明すること。
• 再結合検出の高精度な運動量測定により、半完全なDISにおける最終状態相互作用（FSI）モデルの妥当性を検証するための重要なデータを提供すること。

提案手法

• ステレオドリフトチェンバーによる軌跡再構築とシンチレーションアレイによる粒子識別を組み合わせた新しい低エネルギー再結合トラッカー（ALERT）の使用。
• ALERTをCLAS12のソレノイド磁石内に設置し、シリコン・バーテックス・トラッカーとマイクロメガス・トラッカーを置き換えることで、材料量を最小限に抑え、低エネルギー再結合の検出を最適化する。
• 3 atmのガス標的に11 GeV、80%偏光の電子ビーム（最大1000 nA）を照射し、最大6×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の出力密度を達成する。
• ALERTによる高速タイミングと粒子識別を用いて、散乱電子とタグ付き再結合核をトリガーし、バックグラウンドを効率的に排除する。
• 完全な排他的な運動量領域において、ビームスピン非対称性と非フォワードEMC比を同時に測定し、最終状態相互作用を研究する。
• 検出器のコンmissioningおよびキャリブレーションのため、2.2 GeVの低エネルギーで水素標的および⁴He標的を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EMC効果は、主にヌクレオンの仮想性（初期運動量）に依存するのか、それとも核物質中における短距離相関（SRC）に依存するのか？
• RQ2 タグ付きEMC比は、軽い原子核における平均場とSRC支配のヌクレオンダイナミクスを区別できるか？
• RQ3 最終状態相互作用（FSI）は、²Hおよび⁴Heにおける再結合タグギングと半完全なDIS観測量にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ⁴Heにおける束縛ヌクレオンの一般化部分子分布（GPDs）は、重水素におけるそれとどの程度異なるか。核物質効果を明らかにするか？
• RQ5 EMC効果は部分子分布の普遍的スケーリングに起因するのか、それとも局所的な核環境およびアイソスピン構造に依存するのか？

主な発見

• 提案される実験により、共鳴的排他的DVCSおよびDVMPを介して、核内の部分子の横方向空間分布へのモデルに依存しないアクセスが可能となり、⁴Heにおけるクォークおよびグルーオン半径の直接比較が可能になる。
• 低エネルギー再結合そばがら（p, ³H, ³He）の検出により、衝突したヌクレオンの初期運動量を測定でき、遅い（平均場）と速い（SRC）ヌクレオンを区別できる。
• タグ付きEMC比は再結合運動量の関数として測定され、Fermi運動、結合エネルギー、あるいは物質中におけるヌクレオンの同一性の喪失に起因するというモデルの直接的検証が可能になる。
• ALERT検出器は高い時間分解能と粒子識別性能を達成すると予想され、バックグラウンドの効率的排除と低エネルギー再結合検出のための低材料量を実現する。
• 本実験は、特に再結合タグギングの文脈において、半完全なDISにおける最終状態相互作用（FSI）の理論的モデルを検証するためのユニークなデータを提供する。
• 55日間のビームタイム（²Hで20日、⁴Heで20日、500 nAで実施）を想定し、最大6×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の出力密度を達成することで、二重比および運動量依存性の高統計的測定が可能になる。