[논문 리뷰] Feasibility studies for quarkonium production at a fixed-target experiment using the LHC proton and lead beams (AFTER@LHC)

L. Massacrier, B. A. Trzeciak외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 54인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 AFTER@LHC에서 LHC의 프로톤 및 lead 비틀림을 사용하여 固定-타겟 실험에서 쿼크onium 생성 가능성을 평가한다. LHCb와 유사한 검출기 응답을 시뮬레이션하여, p+H 충돌에서 20 fb⁻¹ yr⁻¹ 이하의 루미노시티를 갖는 경우, J/ψ, ψ(2S), Υ 상태의 정밀 측정이 신호 대 배경 비율이 높아 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있음을 보여준다. 이는 후방 빠르기에서 글루온 역학, 핵 효과, 쿼크onium 극화의 세밀한 연구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Used in the fixed-target mode, the multi-TeV LHC proton and lead beams allow for studies of heavy-flavour hadroproduction with unprecedented precision at backward rapidities - far negative Feyman-x - using conventional detection techniques. At the nominal LHC energies, quarkonia can be studies in detail in p+p, p+d and p+A collisions at sqrt(s_NN) ~ 115 GeV as well as in Pb+p and Pb+A collisions at sqrt(s_NN) ~ 72 GeV with luminosities roughly equivalent to that of the collider mode, i.e. up to 20 fb-1 yr-1 in p+p and p+d collisions, up to 0.6 fb-1 yr-1 in p+A collisions and up to 10 nb-1 yr-1 in Pb+A collisions. In this paper, we assess the feasibility of such studies by performing fast simulations using the performance of a LHCb-like detector.

연구 동기 및 목표

• LHC 프로톤 및 lead 빔을 사용한 고정-타겟 모드에서 쿼크onium 생성 연구의 가능성을 평가하는 것.
• 후방 빠르기에서 채론늄 및 바텀늄 상태의 고통계 측정 가능성을 평가하는 것.
• AFTER@LHC가 중량자 입자 생성에서 글루온 반그림자 효과, EMC 효과, 페르미 운동과 같은 핵 효과에 대해 얼마나 민감한지 조사하는 것.
• 편극된 타겟과 LHCb 유사 검출기를 사용하여 단일 스핀 비대칭 측정 및 자극된 쿼크onium 상태(예: χc, χb) 연구의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• LHCb 유사 검출기 모델을 사용한 빠른 시뮬레이션을 통해 입자 탐지 및 재구성 효율을 평가하였다.
• 시뮬레이션 프레임워크는 트래킹, 칼로메트리, 뮤온 식별을 포함한 전체 검출기 응답 모델링을 포함하였다.
• Drell-Yan, c\bar{c}, b\bar{b 쌍과 같은 배경 원천은 Pythia 및 HELAC-Onia 생성기로 시뮬레이션하였다.
• 이중 뮤온 비틀림 질량 스펙트럼에 대한 신호 및 배경 기여를 평가하여, 신호 대 배경 비율을 추정하였다.
• 핵의 수정 인자 R_{p+Pb}를 계산하여 핵에서의 글루온 밀도 변화를 탐색하였다.
• 통계 정밀도 추정을 통해 검출기 성능이 쿼크onium 극화 및 형성 시간 효과 측정에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 빔을 고정-타겟 모드로 사용할 때, AFTER@LHC에서 이중 뮤온 붕괴 채널에서 쿼크onium 상태를 고_SIGNAL_TO_BACKGROUND 비율로 측정할 수 있는가?
• RQ2 √s_{NN} ≈ 115 GeV 및 72 GeV에서 p+H 및 p+Pb 충돌에서 J/ψ, ψ(2S), Υ(nS) 상태의 기대 통계 정밀도는 얼마인가?
• RQ3 AFTER@LHC는 프로톤 및 핵에서 글루온 분포와 반그림자 효과 및 EMC 효과를 어느 정도 탐지할 수 있는가?
• RQ4 편극된 타겟과 LHCb 유사 검출기를 사용하여 Drell-Yan 및 쿼크onium 생성의 단일 스핀 비대칭을 충분한 정밀도로 추출할 수 있는가?
• RQ5 자기 상태(예: χc, χb)를 탐지하고 핵물질 내에서의 형성 시간 효과를 연구하는 데의 가능성은 어떠한가?

주요 결과

• √s_{NN} ≈ 115 GeV에서 p+H 충돌의 경우, 통합 루미노시티가 최대 20 fb⁻¹ yr⁻¹까지 도달 가능하여 고통계 쿼크onium 연구가 가능하다.
• 이중 뮤온 붕괴 채널에서 J/ψ, ψ(2S), Υ(1S), Υ(2S), Υ(3S)의 신호 대 배경 비율이 유리하여 정밀한 단면적 측정이 가능하다.
• Υ(nS) 질량 근처에서 Drell-Yan 과정이 주요 이중 뮤온 기여원이 되며, 정점 태깅된 뮤온을 통해 신뢰할 수 있는 단면적 추출이 가능하다.
• 핵의 수정 인자 R_{p+Pb}는 사전에 없던 통계 정밀도로 측정 가능하여 글루온 반그림자 효과, EMC 효과, 페르미 운동 연구가 가능하다.
• ψ(2S) 및 Υ(2S)/Υ(3S) 상태는 충분한 통계로 핵물질 내 형성 시간 효과를 탐지할 수 있다.
• LHCb 유사 검출기 성능은 광범위한 빠르기 범위(약 y ≈ -2.8에서 0)에서 쿼크onium 상태를 해상할 수 있어, 쿼크onium 극화 및 생성 역학에 대한 종합적 연구를 지원한다.