[논문 리뷰] Letter of intent; Precise measurements of very forward particle production at RHIC

Y. Itow, H. Menjo외 9명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 RHIC의 ZDC 슬롯에 LHCf 유사 전자기 캘로리미터를 설치하여, 위상속도 η > 6에서의 전방 포톤, 중성자, π⁰ 메손의 정밀 측정을 제안한다. 기존의 LHCf 검출기와 함께 500 GeV p-p 및 200 GeV p-N 충돌 조건에서 운영함으로써, 우주선 대기 샤워 시뮬레이션에 사용되는 강입자 상호작용 모델을 향상시키고, 광범위한 √s 범위에서 파인만 척도법의 타당성을 검증하며, 높은 해상도로 전방 중성자 스핀 비대칭을 연구하고자 한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose an experiment for the precise measurements of very forward particle production at RHIC. The proposal is to install a LHCf-like calorimeter in the ZDC installation slot at one of the RHIC interaction points. By installing a high-resolution electromagnetic calorimeter at this location we measure the spectra of photons, neutrons and pi0 at pseudo rapidity eta above 6. The new measurements at 500 GeV p-p collisions contribute to improve the hadronic interaction models used in the cosmic-ray air shower simulations. Using a similar kinematic coverage at RHIC to that of the measurements at LHC, we can test the Feynman scaling with a wide energy range and make the extrapolation of models into cosmic-ray energy more reliable. Combination of a high position resolution of the LHCf detector and a high energy resolution of the ZDC makes it possible to determine pT of forward neutrons with the ever best resolution. This enables us to study the forward neutron spin asymmetry discovered at RHIC in more detail. Another new experiment expected at RHIC is world-first light-ion collisions. Cosmic-ray interaction models have been so far tested with accelerator data, but colliders have provided only p-p and heavy-ion collisions. To simulate the interaction between cosmic-ray particles and atmosphere, collision of light ions like nitrogen is a ultimate goal for the cosmic-ray physics. We propose 200 GeV p-N collisions together with 200 GeV p-p collisions to study the nuclear effects in the forward particle production. The experiment can be performed by using the existing LHCf detector. Considering the geometry and response of one of the LHCf detectors, we propose some short dedicated operations. Ideal beam conditions are summarized in this paper. Our basic idea is to bring one of the LHCf detectors to RHIC and then operate from 2016 season at RHIC.

연구 동기 및 목표

• RHIC에서 매우 전방 입자 생성을 측정함으로써, 대기 샤워 시뮬레이션의 정확도를 향상시키기 위해.
• 500 GeV p-p 및 200 GeV p-N 충돌 데이터를 활용하여 대기 샤워 시뮬레이션에 사용되는 강입자 상호작용 모델의 타당성을 검증하기 위해.
• 측정의 √s 범위를 연장함으로써, 초고에너지 우주선(UHECR) 영역으로의 모델 외삽을 신뢰할 수 있게 하기 위해.
• 프로톤-질소 핵 충돌을 통해 프로톤-대기 상호작용을 시뮬레이션함으로써, 전방 입자 생성에서의 핵 효과를 연구하기 위해.
• 수평 프로톤 비틀림을 이용하고 검출기 기하학을 개선함으로써, 높은 횡방향 운동량 해상도로 전방 중성자 스핀 비대칭을 측정하기 위해.

제안 방법

• 한 RHIC 충돌점의 ZDC 설치 슬롯에 고해상도 전자기 캘로리미터를 설치하기 위해.
• 테르라전자볼트 스케일의 전방 입자 탐지에 최적화된 기존 LHCf 검출기를 RHIC에 배치하기 위해.
• 해상도를 높이기 위해, 빛의 밀도가 각각 6×10²⁹, 4×10³¹, 7×10³⁰ cm⁻²s⁻¹인 500 GeV p-p, 200 GeV p-p, 200 GeV p-N 충돌에서 전용 단기 운영을 수행하기 위해.
• 각도 분산을 최소화하고 전방 입자 운동량 해상도를 향상시키기 위해, 비압축된 빔을 사용하기 위해.
• 고위치 해상도 LHCf 검출기와 고에너지 해상도 ZDC를 조합하여 전방 중성자의 최적 pT 해상도를 확보하기 위해.
• 데이터 수집을 위해 빔 유도 타이밍 신호와 RF 시계 동기화를 구현하며, 주요 실험과의 가능성을 고려한 플래그 교환 또는 공통 트리거를 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 500 GeV p-p 및 200 GeV p-N 충돌에서 √s 범위에 따라 η > 6에서의 전방 입자 스펙트럼(포톤, π⁰, 중성자)은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 200 GeV에서 500 GeV의 √s 범위에서 파인만 척도법이 어느 정도 유지되며, 이는 UHECR 에너지로의 모델 외삽에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 프로톤이 질소 핵과 충돌할 때 전방 입자 생성에서 나타나는 핵 효과는 무엇이며, 프로톤-프로톤 충돌과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ4 수평 빔 비틀림과 향상된 검출기 기하학을 활용할 경우, RHIC에서 관측된 전방 중성자 스핀 비대칭을 더 높은 pT 해상도로 측정할 수 있는가?
• RQ5 실제 RHIC 빔 조건 하에서, 검출기 시스템성과 피로율은 전방 중성입자 측정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 스핀 비대칭 측정을 위해 0.1 pb⁻¹의 통합 루미노사티를 확보하기 위해, 500 GeV p-p 충돌에서 루미노사티 2.5×10³⁰ cm⁻²s⁻¹ 조건에서 약 11시간의 운영이 필요하다.
• 500 GeV p-p 충돌에서, 총 비탄성 단면적 50 mb를 가정할 경우, 루미노사티 6.3×10²⁹ cm⁻²s⁻¹ 조건에서 약 10⁶건의 이벤트가 기대된다.
• 200 GeV p-N 충돌에서, 총 비탄성 단면적 330 mb를 가정할 경우, 루미노사티 6.7×10³⁰ cm⁻²s⁻¹ 조건에서 약 10⁶건의 RHICf 이벤트가 기대된다.
• 검출기는 1번 크로스링 당 2.1×10⁻³의 피로율을 기대하며, 배경 간섭이 낮음을 시사한다.
• ZDC 앞에 검출기를 위치시키기 위한 매니퓰레이터 사용은 비용 약 10,000달러로 실현 가능하며, 수직 이동이 가능하고 빔라인 간섭을 최소화할 수 있다.
• 제안된 운영 일정은 특수 런 동안 데이터 수집이 가능하게 하며, 낮은 에미ittance와 큰 β* 조건을 최적화하여 각도 분산을 줄이는 데 기여한다.