[論文レビュー] The Solenoidal Large Intensity Device (SoLID) for JLab 12 GeV

J. Arrington, Jay Benesch+29 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

Solenoidal Large Intensity Device (SoLID) は、ジェファーソンラボの12 GeV電子ビームを対象として、半包含的深エネルギーシンチレーション散乱（SIDIS）、パリティ破れのないディープインパルス散乱（PVDIS）、近閾値付近のJ/ψ生成、一般化パートン分布（GPDs）を通じたヌクレオン構造の高精度測定を可能にする、高光度・大立体角の分光計である。最先端の検出器技術と高レートデータ取得を活用し、高x領域のクォーク分布をアクセスするとともに、陽子質量に寄与するグルーオンの寄与や電弱結合を、前例のない統計的パワーで探査する。

ABSTRACT

The Solenoidal Large Intensity Device (SoLID) is a new experimental apparatus planned for Hall A at the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab). SoLID will combine large angular and momentum acceptance with the capability to handle very high data rates at high luminosity. With a slate of approved high-impact physics experiments, SoLID will push JLab to a new limit at the QCD intensity frontier that will exploit the full potential of its 12 GeV electron beam. In this paper, we present an overview of the rich physics program that can be realized with SoLID, which encompasses the tomography of the nucleon in 3-D momentum space from Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering (SIDIS), expanding the phase space in the search for new physics and novel hadronic effects in parity-violating DIS (PVDIS), a precision measurement of $J/ψ$ production at threshold that probes the gluon field and its contribution to the proton mass, tomography of the nucleon in combined coordinate and momentum space with deep exclusive reactions, and more. To meet the challenging requirements, the design of SoLID described here takes full advantage of recent progress in detector, data acquisition and computing technologies. In addition, we outline potential experiments beyond the currently approved program and discuss the physics that could be explored should upgrades of CEBAF become a reality in the future.

研究の動機と目的

• 偏極 3He およびプロトン標的に基づく高統計的半包含的深エネルギーシンチレーション散乱（SIDIS）を通じて、ヌクレオンの三次元運動量空間的構造を探索すること。
• 高x領域におけるデュテロンおよびプロトンに対するパリティ破れのないディープインパルス散乱（PVDIS）を通じて、電弱パラメータを測定し、標準模型を超える新物理を探査すること。
• 高精度な近閾値付近のJ/ψ生成測定を通じて、陽子質量へのグルーオン的寄与を特定すること。
• 深エネルギーシックスクリュー反応と一般化パートン分布（GPDs）を用いて、座標空間および運動量空間におけるヌクレオンの構造をマッピングすること。
• 電子-ヌクレオン散乱の運動量領域を高Bjorken-xおよび高Q²にまで拡張し、電子-イオン衝突装置（EIC）計画を補完すること。

提案手法

• 最大4πステラジアンの広い立体角を有するソレノイド磁場配置を採用し、光度が10³⁹ cm⁻²s⁻¹に達する状況でも高多重度の最終状態を捕捉可能にする。
• 高レート走査と荷電粒子の正確な運動量測定を実現するため、ガス電子増倍器（GEM）トラッカーを採用する。
• 高レート環境下でのパイオニウム、カイオン、プロトンの識別を実現するため、光ガスおよび重ガスのチェレンコフ検出器を統合する。
• 電磁気的コロイメータおよびシンチレーター・パッド検出器を用いて、光子およびハドロンのエネルギーおよび時間測定を実施する。
• 高レート条件下での正確なタイミングとトリガーを実現するため、マルチギャップ抵抗性板チャンバー（MRPC）システムを導入する。
• リアルタイム処理、機械学習、アンフォールディング技術を活用した高度なデータ取得および計算システムを採用し、高イベントレートに対応するとともに物理的観測量を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横方向スピン依存のSIDISによって明らかにされる、特に横スピン分布関数（transversity）およびテンソル荷重分布（tensor charge）を含めた、ヌクレオンの三次元運動量空間的構造は何か？
• RQ2 クォークと電子の間の電弱結合は何か？ そして、ディープインパルス散乱における非対称性 A^{e+e-} に、標準模型からのずれが観測可能か？
• RQ3 グルーオン場が陽子質量を生成する役割を果たすメカニズムは何か？ これは近閾値付近のJ/ψ生成によって探査可能である。
• RQ4 パートン分布関数（PDFs）および一般化パートン分布（GPDs）は、座標空間および運動量空間でどのように進化するのか？ そして、ヌクレオンスピンおよび構造に果たす役割は何か？
• RQ5 EMC効果のアイソスピン依存性は何か？ そして、高x領域におけるxおよびQ²の関数として、その変動はどのように変化するか？

主な発見

• SoLID は、既存施設に比べて図形的優位性（figure-of-merit）を1000倍向上させ、バリオンクォーク領域における横運動量依存のパートン分布（TMDs）の高精度抽出を可能にする。
• デュテロンに対するPVDIS計画では、2g_{AA}^{eu} - g_{AA}^{ed} の電弱結合組み合わせを、以前のミューオンビーム実験を上回る精度で測定可能であり、20+ GeVのアップグレード状況では目標不確実性が約0.15に達する。
• SoLID における近閾値付近のJ/ψ生成測定は、グルーオン寄与に起因する陽子質量のグリューフォーム因子G_G(0)を約10%の感度で探査可能である。
• 深エネルギーシックスクリュー反応とGPDを用いた計画では、座標空間および運動量空間におけるヌクレオンの3次元構造にアクセス可能であり、x_Bj > 0.6 の領域まで運動量領域が拡張され、これはかつて高光度条件下で到達できなかった領域である。
• SoLID の高光度能力により、x > 0.6 におけるd/u PDF比の初の直接測定が可能となり、統計的不確実性が1%未満に達する。
• 本装置は、10⁷ Hzを超えるイベントレートにも対応可能であり、AI/MLベースのアルゴリズムを用いたリアルタイムイベント再構成および選別が可能なデータ取得システムを備えている。