[論文レビュー] The JLab 12GeV Upgrade and the Initial Science Program

Volker Burkert|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

JLab 12 GeVアップグレードにより、一般化部分子分布関数（GPDs）、横運動量分布関数（TMDs）、電磁フォーム因子を通じた核子構造の高精度な研究が可能となり、クォーク-グルーオンダイナミクスの3次元イメージング、エキゾチックハドロンの探索、パリティ破れ過程および重い光子探索を通じた標準模型を越える物理学の探査が可能になる。

ABSTRACT

An overview is presented of the upgrade of JLab's cw electron accelerator from a maximum beam energy of currently 6 GeV to 12 GeV. Construction of the 12 GeV upgrade project has started in 2008. A broad experimental program has been developed to map the nucleon's intrinsic correlated spin and momentum distribution through measurements of deeply exclusive and semi-inclusive processes, and to probe the quark and gluon confinement by studying the spectrum of mesons with exotic quantum numbers. Other programs include the forward parton distribution function at large xB, the quark and gluon polarized distribution functions, the measurements of electromagnetic form factors of the nucleon ground state and of nucleon resonance transitions at high Q2, and the exploration of physics beyond the Standard Model in high precision parity violating processes. The 12 GeV electron beam is also well suited to explore quark hadronization properties using the nucleus as a laboratory.

研究の動機と目的

• 一般化部分子分布関数（GPDs）および横運動量分布関数（TMDs）を用いて、クォークおよびグルーオンの3次元的空間的・運動量的分布をマップすること。
• エキゾチック量子数を有するハイブリッドメソンおよびバリオンの探索を通じて、グルーオンがハドロン構造に果たす役割を解明すること。
• 未だかつてない精度で、高Q²領域における核子の電磁フォーム因子および部分子分布関数を測定すること。
• 高精度なパリティ破れ電子散乱および重い光子（A′）の探索を通じて、標準模型を越える物理学を探る。
• 核環境におけるクォークのハドロン化およびカラーテンプレート現象を、原子核を実験室として用いて研究すること。

提案手法

• ジェファーソンラボでアップグレードされた12 GeVの連続波（cw）電子ビームを用い、高出力および高エネルギー分解能を達成する。
• 偏極状態がエンタングルされた電子散乱実験を用いて、深く排他的および半排他的深エネルギー損失散乱（DIS）を通じてGPDsおよびTMDsにアクセスする。
• ホールA、B、Dに高分解能分光器を設置し、最終状態粒子の運動量および角度分解能を高める。
• パリティ破れ電子散乱実験（例：モーラー散乱、深エネルギー損失パリティ破れ）を実施し、弱い混合角を1%未満の精度で測定する。
• ホールBおよびホールAで専用実験（HPSおよびAPEX）を実施し、長寿命の重い光子（A′）から生じる狭い共鳴状態およびずれた頂点を探索する。
• 実験データを格子QCDシミュレーションおよび理論的モデルと統合し、多次元部分子分布関数を抽出し、動的モデルの検証を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般化部分子分布関数（GPDs）によって記述されるように、クォークおよびグルーオンの分布は、座標空間および運動量空間でどのように相関しているか？
• RQ2 GPDsおよびTMDsによって明らかにされるクォークの軌道的角運動量は、核子スピンにどの程度寄与しているか？
• RQ3 エキゾチック量子数を有するメソンのスペクトルは何か？ また、それらは励起したグルーオン自由度を有するハイブリッド状態に対応するか？
• RQ4 パリティ破れ電子散乱による弱い混合角の高精度測定において、標準模型からのずれが検出可能か？
• RQ5 宇宙線で観測された陽電子過剰を説明できる仮説的な重い光子（A′）の結合定数および質量範囲は何か？

主な発見

• 12 GeVアップグレードにより、GPDsおよびTMDsを通じて、クォークおよびグルーオン構造の初の高精度3次元イメージングが可能になった。
• 高出力電子散乱により、xの極端な値における部分子分布関数の測定が可能となり、バリオンが80%以上の運動量をクォークが担う状況を含む。
• この計画により、クォークの閉じ込めから漸近的自由度への遷移における核子構造の包括的プローブが可能となり、軌道的角運動量の寄与に感度を持つ。
• ホールDでの実験は、エキゾチック量子数を有するハイブリッドメソンの発見を目的とし、グルーオン励起モデルの検証を試みる。
• JLabのHPSおよびAPEX実験は、弱い結合および長い崩壊長を有する領域にまで重い光子（A′）の探索範囲を拡大し、新しいBSMパラメータ空間を探索する。
• モーラー散乱および深エネルギー損失散乱を用いた弱い混合角sin²θWの高精度測定により、実験的不確かさが1%未満まで低下し、標準模型の予測の検証が可能になる。