[論文レビュー] The SeaQuest Spectrometer at Fermilab

SeaQuest Collaboration, C. Aidala+96 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用数 8

ひとこと要約

FermilabのSeaQuestスペクトロメータは、120 GeVの陽子ビームを水素、重水素、固体標的に当て、Drell-Yan過程を用いて反クォーク分布を調査する。質量分解能はJ/ψピークで0.21 GeV/c²に達し、海クォークのフレーバー依存性および核子内での構造修正の精密な研究が可能である。

ABSTRACT

The SeaQuest spectrometer at Fermilab was designed to detect oppositely-charged pairs of muons (dimuons) produced by interactions between a 120 GeV proton beam and liquid hydrogen, liquid deuterium and solid nuclear targets. The primary physics program uses the Drell-Yan process to probe antiquark distributions in the target nucleon. The spectrometer consists of a target system, two dipole magnets and four detector stations. The upstream magnet is a closed-aperture solid iron magnet which also serves as the beam dump, while the second magnet is an open aperture magnet. Each of the detector stations consists of scintillator hodoscopes and a high-resolution tracking device. The FPGA-based trigger compares the hodoscope signals to a set of pre-programmed roads to determine if the event contains oppositely-signed, high-mass muon pairs.

研究の動機と目的

• Drell-Yan過程を用いて陽子内の海クォークのフレーバー依存性を調査する。
• 核子内の反ダウンクォーク分布と反アップクォーク分布の比（$\bar{d}/\bar{u}$）を測定する。
• 陽子が核中に束縛されている場合の海クォーク構造への修正を研究する。
• 偏極ビームおよび偏極標標を用いた未来の測定（ダークフォトン探索やSivers非対称性の研究など）を可能にする。
• 高度なトリガ、DAQ、スローコントロールシステムにより高精度なデータ収集を確保する。

提案手法

• 液体水素、液体重水素、固体核標的に120 GeVの陽子ビームを入射させる。
• ビームを遮断する閉じた断面積の磁石（上流）と、開放された断面積の磁石（下流）の2つのダイポール磁石を用いて、ミューオンの軌道を曲げて集光する。
• スチルレーター・ホドスコープと高分解能ドリフトチェンバーを備えた4つの検出器ステーションを設置し、トラッキングとミューオン同定を実施する。
• FPGAベースのトリガシステムを採用し、ホドスコープ信号を事前にプログラムされた「ロード」に照合して、逆符号で高質量の二重ミューオン対を選択する。
• CODAベースのデータ取得システムを用い、イベント、スケーラ、ビーム、スローコントロールサブシステムを統合し、リアルタイム監視とデータ整合性を確保する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて質量分解能と検出器性能を検証し、J/ψおよびψ′ピークを用いたキャリブレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Drell-Yan過程を用いた測定により、陽子の海における反ダウンクォークと反アップクォークの相対的寄与度は何か？
• RQ2 陽子が核中に束縛されている場合、核効果が海クォーク構造にどのように影響するか？
• RQ3 Drell-Yan断面積は、陽子内のパートオン分布のフレーバー依存性をどの程度反映しているか？
• RQ4 スレクトロメータは、J/ψおよびψ′ピークを十分な分解能で解像できるか？ その結果、正確な質量および断面積測定が可能か？
• RQ5 高強度ビーム条件下で、トリガ、DAQ、スローコントロールシステムの性能と安定性はいかがなものか？

主な発見

• SeaQuestスレクトロメータは、J/ψピークで測定された質量分解能が0.21 GeV/c²に達し、モンテカルロシミュレーションと非常に良好に一致している。
• 二重ミューオン質量スペクトルは、明確にJ/ψおよびψ′共鳴状態を解像しており、スレクトロメータの高精度分光能力を裏付けている。
• FPGAベースのロードベース論理を用いたトリガシステムは、高効率かつ低バックグラウンドで高質量で逆符号の二重ミューオン対を的確に同定できた。
• イベント、スケーラ、ビーム、スローコントロールを含むデータ取得システムは、リアルタイム監視と異常に対する自動アラート機能を備え、信頼性高く稼働している。
• スレクトロメータは2012年から稼働しており、$\bar{d}/\bar{u}$比の測定に適した高品質なデータを収集している。
• 将来的な測定（寄生的ダークフォトン探索や計画中の偏極ビーム／標標実験）は、スレクトロメータの堅牢な設計とインfraストラクチャのおかげで可能になっている。