[논문 리뷰] Physics Beyond Colliders QCD Working Group Report

A. Dainese, Markus Diehl외 21명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 84인용 수 11

한 줄 요약

이 보고서는 대형 하드론 충돌기 이외의 분야에서 양성수역학(양성수역학) 연구를 발전시키기 위한 CERN 및 기타 시설에서 제안된 고정표적 실험들에 대해 서술한다. COMPASS++, LHC-FT(가스 및 결정성 표적을 포함), MUonE, NA61++ 등의 제안 사항을 통해 SPS 및 LHC의 개선된 검출기와 비례선을 활용하여 양성수역학의 기본 현상, 파트온 분포, 하드론 스펙트로스코피, 뮤온의 비정상 자기모멘트 등을 고정밀도로 탐구한다.

ABSTRACT

This report summarises the main findings of the QCD Working Group in the CERN Physics Beyond Colliders Study.

연구 동기 및 목표

• 충돌기 실험의 범위를 초월하여 양성수역학의 기본 현상, 예를 들어 고립, 파트온 역학, 양성수역학 상전이도를 탐구하기 위해.
• 형상 인자, 파트온 분포 함수(PDFs), 스핀에 의존하는 분포 등을 포함한 양성자 및 뉴클레온의 구조에 대한 정밀 측정을 향상시키기 위해.
• 고강도 뮤온 및 전자 비례선을 활용하여 뮤온의 비정상 자기모멘트 및 양성자 전하 반지름과 같은 희귀 과정을 측정하기 위해.
• 고정표적 조건에서 하드론 스펙트로스코피, 케이온 및 파이온의 극화율, 고에너지 이온 동역학을 조사하기 위해.
• 전용 실험 프로그램을 통해 향후 뉴트리노 진동, 우주선 샤워, 충돌기 물리학에 필요한 고정밀 QCD 입력을 제공하기 위해.

제안 방법

• SPS M2 비례선의 개선된 검출기(COMPASS++)를 활용하여 탄성 산란, Drell-Yan, Primakov 과정의 고통계 측정을 수행한다.
• LHCb에서 굽은 결정 기법을 적용하여 Λc와 같은 짧은 수명을 가진 바리온의 자기모멘트를 자기장 내에서 스핀 프리세션을 통해 측정한다.
• SPS에서 고광도 뮤온 비례선을 구현하여 전자-뮤온 산란(MUonE)을 수행함으로써 뮤온 g-2에 대한 강입자 진공 분극 기여도를 정밀하게 결정한다.
• 고다수 입자 환경에서 고도의 입자 식별 및 트래킹을 위해 개선된 TPC, 비디오 검출기(MAPS 등), 캘로리메터를 적용한다.
• 시뮬레이션 및 가짜 데이터 연구를 수행하여 실험 감도를 예측하고 비례선 에너지, 강도, 검출기 구성 등을 최적화한다.
• 이론 모델(예: 카이랄 양성수역학 이론, SMES 모델)을 제안된 데이터와 통합하여 PDF, 산란 진폭, 스펙트럼 함수를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파이온과 케이온의 정밀한 파트온 분포 함수는 무엇이며, 이는 쿼크-아크류트 히어로의 해를 제약하는가?
• RQ2 COMPASS++에서 뮤온 수소나 전자-양성자 산란을 통해 뮤온 수소를 이용하여 0.01 피코미터 이하의 정밀도로 양성자 전하 반지름을 측정할 수 있는가?
• RQ3 LHCb에서 굽은 결정 기반의 뮤온 비례선이 Λc 바리온의 자기모멘트에 대해 어떤 감도를 가지는가?
• RQ4 MUonE 실험은 뮤온의 비정상 자기모멘트에 대한 강입자 진공 분극 기여도를 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ5 NA61++ 및 LHC-FT 실험에서 채론늄, Drell-Yan, 개방 채론 생성의 예상 수확 및 운동량 영역은 무엇인가?

주요 결과

• COMPASS++의 예측에 따르면, 뮤온-양성자 탄성 산란을 통해 양성자 전하 반지름의 목표 감도는 약 0.01 fm이며, 형상 인자 비율 GE/GM의 정밀도는 약 1%로 예측된다.
• 가스 표적을 사용하는 LHC-FT(예: SMOG2)는 180 GeV 비례선 운동량에서 100일 동안 약 10^5개의 반양성자 사건을 유도할 것으로 예상되며, 이는 파트온 분포의 정밀 연구를 가능하게 한다.
• MUonE는 뮤온 g-2에 대한 강입자 진공 분극 기여도에 대해 0.1%의 정밀도를 달성할 것으로 예측되며, 현재의 제약 조건을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.
• NA61++는 √sNN = 8.6 GeV에서 채론 쿼크 쌍 생성의 에너지 의존도를 통계적 불확실도 약 10%로 측정할 것으로 예상된다.
• COMPASS++ 프로그램은 Primakov 효과를 통해 케이온의 극화율을 5σ의 관측 가능성으로 측정할 수 있으며, 교차단 비율 RK에 대한 감도는 약 10^-4 수준이다.
• LHCSpin 시뮬레이션은 LHCb-FT에서 극화된 가스 표적으로 Drell-Yan 과정의 Sivers 비대칭 측정에 대해 약 20% 향상 가능성을 보여준다.