[논문 리뷰] Neutron emission in ultraperipheral Pb-Pb collisions at $\sqrt {s_{NN}}$ = 5.02 TeV

Acharya, Shreyasi, Adamova, Dagmar외 1050명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 09.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 ALICE 검출기의 제로도리 칼로리미터를 사용하여 √sNN = 5.02 TeV에서의 초외부 Pb-Pb 충돌에서 중성자 방출 단면적을 측정한다. 207–203Pb 조각에 해당하는 공진도 중성자(1–5개)의 배출을 동반하지 않는 첫 번째 배제적 측정 결과를 보고하며, 모델 예측과 양호한 일치를 보인다.

ABSTRACT

In ultraperipheral collisions (UPCs) of relativistic nuclei without overlap of nuclear densities, the two nuclei are excited by the Lorentz-contracted Coulomb fields of their collision partners. In these UPCs, the typical nuclear excitation energy is below a few tens of MeV, and a small number of nucleons are emitted in electromagnetic dissociation (EMD) of primary nuclei, in contrast to complete nuclear fragmentation in hadronic interactions. The cross sections of emission of given numbers of neutrons in UPCs of $^{208}$Pb nuclei at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=5.02$ TeV were measured with the neutron zero degree calorimeters (ZDCs) of the ALICE detector at the LHC, exploiting a similar technique to that used in previous studies performed at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=2.76$ TeV. In addition, the cross sections for the exclusive emission of one, two, three, four, and five forward neutrons in the EMD, not accompanied by the emission of forward protons, and thus mostly corresponding to the production of $^{207,206,205,204,203}$Pb, respectively, were measured for the first time. The predictions from the available models describe the measured cross sections well. These cross sections can be used for evaluating the impact of secondary nuclei on the LHC components, in particular, on superconducting magnets, and also provide useful input for the design of the Future Circular Collider (FCC-hh).

연구 동기 및 목표

• √sNN = 5.02 TeV에서 초외부 Pb-Pb 충돌에서 중성자 방출 단면적을 측정하기 위해.
• 함께 방출되는 양성자를 포함하지 않는 배제적 중성자 방출을 분리하여, 중성자 농도가 높은 lead 조각(207–203Pb)을 식별하기 위해.
• 2차 핵종이 LHC 초전도 자석에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 고에너지 핵물리 충돌에서 전자기 분리 모델의 기준 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 초외부 충돌(UPC)에서 후방 중성자를 탐지하기 위해 ALICE 검출기의 중성자 제로도리 칼로리미터(ZDC)를 사용하였다.
• 공진도 중성자 방출을 분리하기 위해 후방 양성자가 없는 사건을 선별하여, 207–203Pb 조각에 해당하는 경우를 대상으로 하였다.
• 운동학적 및 에너지 손실 기준을 사용하여, 충돌 당 1~5개의 중성자 방출에 대한 미분 단면적을 측정하였다.
• 이전에 √sNN = 2.76 TeV에서 사용된 기술을 그대로 적용하여 탐지 및 분석의 일관성을 확보하였다.
• 전자기 분리의 이론적 기술을 검증하기 위해 결과를 RELDIS 및 FLUKA 모델의 예측과 비교하였다.
• 빔 에너지 및 충격 매개변수 선택을 통해 핵 상호작용이 없는 순수한 전자기 과정임을 보장하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV에서 초외부 Pb-Pb 충돌에서 1~5개의 후방 중성자 방출에 대한 배제적 단면적은 무엇인가?
• RQ2 측정된 중성자 방출 단면적은 RELDIS 및 FLUKA 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 2차 중성자 농도가 높은 조각(207–203Pb)은 LHC의 빔 손실과 자석 손상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 고에너지 UPC에서 양성자 방출 없이 배제적 중성자 방출을 신뢰성 있게 분리하고 측정할 수 있는가?

주요 결과

• ALICE 협동 연구진은 √sNN = 5.02 TeV에서 초외부 Pb-Pb 충돌에서 동반 양성자가 없는 후방 중성자 방출(1~5개)에 대한 첫 번째 배제적 측정 결과를 보고한다.
• ALICE ZDC를 사용하여 1~5개의 중성자 배출에 대한 배제적 단면적을 높은 정밀도로 측정하였다.
• 측정된 중성자 방출 단면적은 RELDIS 및 FLUKA 모델의 예측과 양호한 일치를 보였다.
• 데이터는 이 에너지에서 전자기 분리(EMD)가 중성자 방출의 주요 메커니즘이라는 것을 확인하였다.
• 이 결과는 LHC 초전도 자석의 방사선 손상 위험 평가에 중요한 정보를 제공한다.
• 향후 미래의 원형 충돌기, 특히 향후 원형 충돌기(FCC-hh)의 설계 및 안전 분석을 뒷받침한다.