[論文レビュー] The LHCSpin Project

C. Aidala, Alessandro Bacchetta+29 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

LHCSpinプロジェクトは、LHCb検出器の前部に偏光した水素または重水素ガス標的に設置することを提案し、ヌクレオンおよび核子におけるスピンに依存するパートン分布関数の高精度な研究を可能にする。新規の開閉式ストレージセルにブライト＝ラビ偏光計および標的ガス分析器を組み合わせたシステムにより、ビーム寿命の著しい低下を伴わず80%以上の偏光度を達成し、4.7×10³² cm⁻²s⁻¹までの光度を実現。これにより、Drell-Yan、弱いボソン、および重いフラバーの生成を通じて、QCD力学の新たな運動量領域のテストが可能となる。

ABSTRACT

LHCSpin aims at installing a polarized gas target in front of the LHCb spectrometer, bringing, for the first time, polarized physics to the LHC. The project will benefit from the experience achieved with the installation of an unpolarized gas target at LHCb during the LHC Long Shutdown 2. LHCb will then become the first experiment simultaneously running in collider and fixed-target mode with polarized targets, opening a whole new range of explorations to its exceptional spectrometer. LHCSpin will offer a unique opportunity to probe polarized quark and gluon parton distributions in nucleons and nuclei, especially at high $x$ and intermediate $Q^2$, where experimental data are still largely missing. Beside standard collinear parton distribution functions (PDFs), LHCSpin will make it possible to study multidimensional polarized parton distributions that depend also on parton transverse momentum. The study of the multidimensional partonic structure of the nucleon, particularly including polarization effects, can test our knowledge of QCD at an unprecedented level of sophistication, both in the perturbative and nonperturbative regime. At the same time, an accurate knowledge of hadron structure is necessary for precision measurements of Standard Model (SM) observables and discovery of physics beyond the SM. Due to the intricate nature of the strong interaction, it is indispensable to perform the widest possible suite of experimental measurements. It will be ideal to have two new projects complementing each other: a new facility for polarized electron-proton collisions and a new facility for polarized proton-proton collisions. LHCSpin stands out at the moment as the most promising candidate for the second type of project, going beyond the kinematic coverage and the accuracy of the existent experiments, especially on the heavy-quark sector.

研究の動機と目的

• 偏光ビームを用いた固定標的物理学をLHCbに導入し、偏光ビームを用いた同時にコライダーおよび固定標的運転を実現する。
• データが不足する高xおよび中間Q²領域において、ヌクレオンの多次元的構造、特に横運動量に依存する（TMD）パートン分布関数（PDFs）を調べる。
• スピン状態の迅速な反転（数分単位）と標的に無偏光材料を含まないことで、偏光PDF測定における系統的不確実性を低減する。
• スピン-軌道相関やパートンの軌道的角運動量を研究するための独自のプラットフォームを提供し、陽子スピンの謎を解明する。
• ハドロン構造に関する知識の向上を通じて、標準模型の観測量の高精度測定および新物理の探索を支援する。

提案手法

• 13.90 l/sの透過率を持つストレージセルに、原子ビーム源（ABS）を用いて偏光した水素または重水素原子を注入し、中心密度4.68×10¹² cm⁻³を達成する。
• ビームウェイクフィールド効果とビーム寿命の低下を最小限に抑えるために、ウェークフィールド抑制器（WFS）および穴あきポンピングチューブを備えた開閉式ストレージセルを採用する。
• ブライト＝ラビ偏光計（BRP）と標的ガス分析器（TGA）を統合し、ハイパーファイン状態の分布と分子再結合を継続的にモニタリングし、リアルタイムでの偏光度測定を可能にする。
• 相互作用点から1.5 m上流に3～5層のコンact、放射線耐性のあるシリコンピクセルトラッカーを設置し、高いトラッキング効率を維持する。
• 1.0 cmの直径を有する15 cmの長さのフィードチューブを用い、1秒間に6.5×10¹⁶個の原子をストレージセルに供給し、300 Kにおける偏光水素の面密度を7.02×10¹³ cm⁻²に達する。
• 陽子ビーム強度（3.8×10¹⁸ p/s）とpp全断面積（0.05 b）を用いてビーム損失率をモデル化し、相対的損失率1.5×10⁻⁷ s⁻¹、最小部分的ビーム寿命77日を算出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCbに偏光ガス標的を効果的に設置・運用可能であり、コライダー環境下での固定標的スピン物理学を可能にするか？
• RQ2 迅速なスピン状態反転を伴うガス標的システムを用いたプロトン-水素衝突において、達成可能な光度と偏光度はどの程度か？
• RQ3 偏光ガス標的の存在がLHC陽子ビーム寿命に与える影響はどの程度で、長時間のビームフィルに悪影響を及ぼさないか？
• RQ4 Drell-Yanおよび重いフラバー生成を用いた偏光プロトン-水素衝突において、横運動量に依存する（TMD）パートン分布関数はどの程度の精度で抽出可能か？
• RQ5 高xおよび中間Q²領域の運動量領域を通じて、このシステムはスピン-軌道相関およびヌクレオン内でのパートンの軌道的角運動量に関する新たな制約を提供できるか？

主な発見

• 提案されたシステムは、ストレージセル内で4.68×10¹² cm⁻³の中心原子密度を達成し、300 Kにおける偏光水素の面密度は7.02×10¹³ cm⁻²に達する。
• プロトン-水素衝突の光度は100 Kで4.7×10³² cm⁻²s⁻¹に達し、最大可能な光度は1.0×10³³ cm⁻²s⁻¹である。
• ビーム損失率は5.0×10⁷個/秒と推定され、相対的損失率1.5×10⁻⁷ s⁻¹に相当し、最小部分的ビーム寿命は77日となる。
• 迅速なスピン状態反転（数分単位）により、80%以上の偏光度を維持し、系統的不確実性を顕著に低減する。
• ビーム寿命への影響は無視できるほど小さく、ビーム損失率は通常のフィル期間よりもはるかに低いため、長時間のLHCフィルと完全に相性が良い。
• WFSおよび診断システム（BRPおよびTGA）を備えた開閉式ストレージセル設計により、標的の偏光度およびガス品質の安定的でリアルタイムのモニタリングと制御が可能となる。