[논문 리뷰] A Fixed-Target ExpeRiment at the LHC (AFTER@LHC) : luminosities, target polarisation and a selection of physics studies

Jean-Philippe Lansberg, V. Chambert외 11명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 굴절 결정을 통해 추출된 7 TeV 수소 이온 또는 2.76 TeV/핵자당 lead 이온 빔을 사용하는 고정 표적 실험인 AFTER@LHC를 제안한다. 이 실험은 10^32 cm⁻²s⁻¹ 이상의 초고해상도 빛을 가능하게 하며, 전체 후방 빠르기 영역(xF ≈ -1)에 접근할 수 있어, 쿼크온, 개방형 무거운 쿼크, 즉각적인 광자, 횡방향 단일 스핀 비대칭성에 대한 고정밀 연구가 가능하다. 이는 QCD 내의 글루온 분포와 스핀에 의존하는 역학에 대한 새로운 접근을 제공한다.

ABSTRACT

We report on a future multi-purpose fixed-target experiment with the proton or lead ion LHC beams extracted by a bent crystal. The multi-TeV LHC beams allow for the most energetic fixed-target experiments ever performed. Such an experiment, tentatively named AFTER for "A Fixed-Target ExperRiment", gives access to new domains of particle and nuclear physics complementing that of collider experiments, in particular at RHIC and at the EIC projects. The instantaneous luminosity at AFTER using typical targets surpasses that of RHIC by more than 3 orders of magnitude. Beam extraction by a bent crystal offers an ideal way to obtain a clean and very collimated high-energy beam, without decreasing the performance of the LHC. The fixed-target mode also has the advantage of allowing for spin measurements with a polarised target and for an access over the full backward rapidity domain up to xF ~ - 1. Here, we elaborate on the reachable luminosities, the target polarisation and a selection of measurements with hydrogen and deuterium targets.

연구 동기 및 목표

• 추출된 다이테르바이오닉 빔을 이용해 LHC에서 새로운 유형의 고해상도 고정 표적 실험을 가능하게 하기 위해.
• QCD 내 고-xF 현상의 정밀 측정을 위해 전체 후방 빠르기 영역(xF ≈ -1)에 접근하기 위해.
• 쿼크온과 즉각적인 광자와 같은 스핀 민감도가 있는 탐지기들을 통해 양성자와 중성자의 글루온 성분을 탐색하기 위해.
• 특히 글루온에 민감한 탐지기인 즉각적인 광자와 쿼크온을 통해, 횡방향 단일 스핀 비대칭성(SSAs)을 고통계 정밀도로 측정하기 위해.
• RHIC의 콜리더 실험과 향후 전자-이온 콜리더(EIC)와의 보완적인 물리 프로그램을 제공하기 위해.

제안 방법

• LHC 성능을 저하시키지 않으면서도 깔끔하고 빛의 방향성이 높은 고에너지 수소 이온 또는 무거운 이온 빔을 확보하기 위해 굴절 결정을 이용해 LHC 빔의 일부를 추출한다.
• 7 TeV 수소 이온 빔 또는 2.76 TeV/핵자당 lead 빔을 고정 표적으로 사용하여, 질량 중심 에너지를 약 115 GeV까지 도달시킨다.
• 밀도가 높고 길이가 긴 표적으로 인해, 순간 해상도가 10^32 cm⁻²s⁻¹를 초과하는 것을 달성한다—RHIC보다 1000배 이상 높다.
• 동적 핵자극화(DNP) 기법을 통해 수소 및 중수소 표적으로 고도의 극화를 달성하여 스핀에 의존하는 부분입자 분포를 연구한다.
• 높은 정밀도의 검출기와 뛰어난 뮤온 및 광자 에너지 해상도를 활용하여, 쿼크온 상태(S- 및 P-파), 즉각적인 광자, 제트 상관관계를 측정한다.
• 입자 밀도가 낮아 희귀 과정과 스핀 비대칭성이 깔끔하게 탐지 가능한 후방 빠르기 영역(xF < 0)에서 측정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 굴절 결정을 통한 LHC 빔 추출을 이용한 고정 표적 충돌에서 어떤 수준의 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 AFTER@LHC에서 정밀 스핀 물리학을 위해 수소 및 중수소 표적의 고도의 극화는 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 AFTER@LHC가 즉각적인 광자와 쿼크온과 같은 글루온 민감도 탐지기의 횡방향 단일 스핀 비대칭성(SSAs) 측정 잠재력을 얼마나 가지고 있는가?
• RQ4 쿼크온과 Drell-Yan 측정을 통해 AFTER@LHC는 양성자 및 중성자 내 글루온 분포에 대해 어떤 정도의 제약을 강화할 수 있는가?
• RQ5 AFTER@LHC는 어떤 정도로 큰 음의 파이만-x 영역(xF ≈ -1)에 접근하여 내재된 중량 쿼크 분포와 이국적 하드론을 연구할 수 있는가?

주요 결과

• 1cm 두께의 표적으로서 수소 이온 빔의 순순한 해상도는 10^32 cm⁻²s⁻¹를 초과하며, RHIC를 넘어서 약 세 개의 지수 단위를 뛰어넘는다.
• 연간 통합 해상도가 100 fb⁻¹를 초과하는 것이 가능하며, 이는 기존 고정 표적 실험보다 훨씬 높은 통계 정밀도를 가능하게 한다.
• DNP 기법을 통해 수소 및 중수소 표적으로 극화를 실현할 수 있으며, 특히 중성자 구조 연구에 있어 HD 표적이 매우 유망하다.
• 실험은 전체 후방 빠르기 영역(xF ≈ -1)에 고유하게 접근 가능하며, 이는 이례적인 스핀 상관관계 및 인식 분리 붕괴와 같은 고-xF 현상 연구를 가능하게 한다.
• 높은 통계 정밀도로 S- 및 P-파 쿼크온, 즉각적인 광자, 개방형 중량 쿼크 상태의 측정이 뛰어난 에너지 해상도와 입자 흐름 재구성 기능을 통해 가능하다.
• 고해상도와 후방 영역에서 유리한 운동역학적 조건 덕분에, 글루온 민감도 탐지기의 횡방향 단일 스핀 비대칭성(SSAs)을 높은 정밀도로 측정할 수 있다.