[論文レビュー] The RHIC Beam Energy Scan Phase II: Physics and Upgrades

David Tlustý|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、RHICのビームエネルギースキャンフェーズII（BES-II）の物理学計画と技術的アップグレードを提示する。BES-IIは、ネットプロトンの尖度、指向性流れ、およびダイレクト電子対スペクトルの測定を通じて、高バリオン化学ポテンシャル領域におけるQCD相図を精密にマッピングすることを目的としている。電子冷却およびEPDとeTOFを含む検出器のアップグレードにより、BES-IIは統計的精度を10倍に向上させ、運動量領域を拡大し、QCD臨界点やスピン対称性の回復に高い感度を持つようになった。

ABSTRACT

The exploration of the QCD phase diagram has been one of the main drivers of contemporary nuclear physics. The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at BNL is uniquely suited for this task through its Beam Energy Scan (BES) program which allowed for a large range in baryon chemical potential $μ_B$ as was successfully demonstrated after the completion of Phase 1 in 2014. Phase 2 of the BES at RHIC is scheduled to start in 2019 and will explore with precision measurements the intermediate-to-high $μ_B$ region of the QCD phase diagram, five energies $\sqrt{s_{NN}}$ from 7.7 to 19.6 GeV in collider mode and eight energies $\sqrt{s{_{NN}}}$ from 3.0 to 7.7 GeV in fixed-target mode. Some of the key measurements are: the net-protons kurtosis that could pinpoint the position of a critical point, the directed flow that might prove a softening of the EOS, and the chiral restoration in the dielectron channel. These measurements will be possible with an order of magnitude better statistics provided by the electron cooling upgrade of RHIC and with the detector upgrades planned to improve STAR's acceptance. These proceedings review the BES Phase-2 program and the physics opportunities enabled by these upgrades.

研究の動機と目的

• RHICのビームエネルギースキャンフェーズIIを用いて、中間的・高バリオン化学ポテンシャル領域（$\mu_B$）におけるQCD相図を精密にマッピングすること。
• 特に尖度（$\kappa\sigma^2$）を用いたネットプロトンおよびネットカイオン多重度分布の高次フラクチュエーションを介して、QCD臨界点を探索すること。
• 指向性流れの測定を通じて、状態方程式（EoS）の軟化を調べることで、一次相転移の兆候を特定すること。
• 低インvariant質量領域におけるベクトルメソン崩壊（$\rho$, $\omega$, $\phi$）からのダイレクト電子対スペクトルを用いて、スピン対称性の回復を調査すること。
• 固定標的に基づくモードを用いて、$\mu_B$の範囲を720 MeVまで拡大し、光度および検出器性能の向上により、より高い性能を実現すること。

提案手法

• 5つの加速器エネルギー（$\sqrt{s_{NN}}$ = 7.7–19.6 GeV）と8つの固定標的エネルギー（$\sqrt{s_{NN}}$ = 3.0–7.7 GeV）を用いて、広範な$\mu_B$領域をカバーする。
• 低エネルギー領域での光度を4倍に向上させ、固定標的運用におけるビーム品質を最適化するため、電子冷却（LEReC）を採用する。
• イベントプレーン分解能を2～3倍向上させるために、$2.1 < |\eta| < 5$のカバレッジを持つイベントプレーン検出器（EPD）を導入する。これにより、流れ測定における系統誤差が著しく低減される。
• 前方領域における粒子識別を向上させるために、$1.1 < \eta < 1.6$に位置する拡張型タイムオブフライト（eTOF）検出器を導入する。特に固定標的データの解析に有効である。
• 臨界点近傍での臨界行動を特定するために、全プロトンおよび反プロトン多重度関数としてのネットプロトン累積率比（$\kappa\sigma^2$, $S\sigma$）を分析する。
• STAR検出器の全ミッドラピディティ領域（$|y| < 1$）の受容域と、$dE/dx$ + TOFによる粒子識別を活用し、高精度で系統誤差の小さい測定を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD臨界点は$T$–$\mu_B$平面上のどこに位置し、ネットプロトン尖度フラクチュエーションによって特定可能か？
• RQ2 ネットプロトンの指向性流れが、一次相転移に近い領域での状態方程式の軟化を示す非単調な振る舞いを示すか？
• RQ3 低インバリアント質量領域におけるダイレクト電子スペクトルの変化を通じて、スピン対称性の回復が観測可能か？
• RQ4 EPDによる前方領域のイベントプレーン測定が、流れおよびフラクチュエーション解析における系統誤差をどの程度低減するか？
• RQ5 eTOFアップグレードが、固定標的モードにおける粒子識別性能とフラクチュエーション・流れ測定の運動量領域をどの程度拡大するか？

主な発見

• BES-IIはBES-Iと比較して約10倍の統計的精度を達成し、$\sqrt{s_{NN}} = 19.6$ GeV未満の領域でもダイレクト電子スペクトルの有意義な測定を初めて可能にした。
• ネットプロトンの$\kappa\sigma^2$信号は、臨界点近傍で1より上昇し、それより低い領域では1未満に低下する予測であり、臨界行動の明確なシグナルを示す。
• EPDアップグレードにより、イベントプレーン分解能が2～3倍向上し、指向性流れおよびフラクチュエーション測定における系統誤差が顕著に低減された。
• eTOF検出器により、粒子識別カバレッジが$\eta \approx 1.6$まで拡大され、全プロトンおよび反プロトン多重度関数としての$\kappa\sigma^2$測定の精度が向上した。
• 固定標的モードで$\sqrt{s_{NN}} = 3.0$–7.7 GeVを用いることで、$\mu_B$を720 MeVまで拡大でき、従来アクセスできなかった高$\mu_B$領域の探索が可能になった。
• STARは2015年に、30分間のビーム時間で固定標的モードを実施した結果、過去の実験（例：E895, E877）の結果を再現できることを示し、BES-IIの固定標的プログラムの実現可能性を裏付けた。