[논문 리뷰] Quarkonium-photoproduction prospects at a fixed-target experiment at the LHC (AFTER@LHC)

L. Massacrier, Jean-Philippe Lansberg외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 23인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 AFTER@LHC 固定標的 실험을 이용해 $p$H$^\uparrow$ 및 PbH$^\uparrow$ 충돌에서 배타적 $J/\psi$ 광생산을 연구함으로써, 스핀이 극화된 수소 표적을 통해 헬리시티-플립 일반화된 구입분포(GPD) $E_g$ 에 민감한 단일 수평스핀 비대칭성(STSA)에 접근하고자 한다. 연간 약 200,000개의 $J/\psi$ 사건이 기대되며, 이는 $A_N$ 에 대해 10% 미만의 통계 정밀도를 제공하여, 구입분포 $E_g$ 가 0이 아님을 측정할 수 있는 첫 번째 잠재적 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We report on the potentialities offered by a fixed-target experiment at the LHC using the proton and ion LHC beams (AFTER@LHC project) regarding the study of J/psi exclusive-photoproduction in pA and AA collisions. The foreseen usage of polarised targets (hydrogen, deuteron, helium) gives access to measurements of the Single-Transverse-Spin Asymmetries of this exclusive process, therefore allowing one to access the helicity-flip Generalised Parton Distribution (GPD) Eg. We detail the expected yields of photoproduced J/psi in proton-hydrogen and lead-hydrogen collisions and discuss the statistical uncertainties on the asymmetry measurement for one year of data taking at the LHC.

연구 동기 및 목표

• LHC 의 고에너지 고정표적 모드를 활용해 고운동량 분율 $x$ 에서 핵자 및 핵의 3차원 구조를 탐색한다.
• 배타적 $J/\psi$ 광생산에서 단일 수평스핀 비대칭성(STSA)을 측정하여, 구입분포 $E_g$ 에 대한 정보를 담고 있는 구입분포의 총 각운동량에 접근한다.
• AFTER@LHC 에서 극화된 수소 및 디우테론 표적으로 $A_N$ 을 고통계 정밀도로 측정할 수 있는지 가능성 평가한다.
• 기존의 충돌기 데이터를 보완하는 $pA$ 및 $AA$ 충돌에서의 쿼크온 생성을 통해 양성자-구입분플라즈마(QGP)의 새로운 탐사 수단을 제공한다.

제안 방법

• STARLIGHT 몬테카를로 생성기를 사용하여 AFTER@LHC 에너지에서 $p$H$^\uparrow$ 및 PbH$^\uparrow$ 충돌에서의 $J/\psi$ 광생산 단면적을 시뮬레이션한다.
• 실제 수확량 추정을 위해 LHCb 유사 검출기 수용각을 정의하기 위해 운동학적 절단 조건($2 < \eta_{\rm lab}^\mu < 5$, $p_{\rm T}^\mu > 0.4$ GeV/c)를 적용한다.
• 저장 셀 표적 기술을 기반으로 연간 100 nb$^{-1}$ 투과도를 가정하여 연간 $J/\psi$ 수확량을 추정한다.
• 공식 $u_{A_N} = \frac{2}{P(N^\uparrow + N^\downarrow)^2} \sqrt{N^{\downarrow 2} u^{\uparrow 2} + N^{\uparrow 2} u^{\downarrow 2}}$ 를 사용하여 단일 수평스핀 비대칭성 $A_N$ 의 통계 불확실성을 계산하며, 여기서 $P$ 는 표적 극화도이다.
• Feynman-$x$ ($x_{\rm F}$) 를 함수로 하여 $A_N$ 의 미분 측정을 수행하여 $E_g$ 의 $x$-의존성에 접근한다.
• $p$H$^\uparrow$ 및 PbH$^\uparrow$ 충돌 시스템을 사용하여 경량 및 무거운 이온 표적으로의 접근을 가능하게 하여, 다양한 핵 환경에서의 $E_g$ 를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AFTER@LHC 실험은 극화된 표적으로 고정밀도 STSA 측정을 가능하게 하기 위해 충분한 $J/\psi$ 광생산 수확량을 확보할 수 있는가?
• RQ2 1년간의 데이터 수집 후 $p$H$^\uparrow$ 충돌에서의 배타적 $J/\psi$ 광생산에 대한 단일 수평스핀 비대칭성 $A_N$ 의 기대 통계 불확실성은 얼마인가?
• RQ3 $J/\psi$ 광생산에서의 $A_N$ 비대칭성은 구입분포 $E_g$ 에 민감한 측정 가능한 신호를 제공하는가?
• RQ4 AFTER@LHC 에너지에서 $p$H$^\uparrow$ 와 PbH$^\uparrow$ 충돌 간 $J/\psi$ 수확량과 $A_N$ 감도는 어떻게 다름?
• RQ5 $x_{\rm F}$ 에 따라 $A_N$ 비대칭성을 미분 측정할 수 있는가? 이를 통해 $E_g$ 의 $x$-의존성을 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 100 nb$^{-1}$ 투과도와 LHCb 유사 수용각을 가정할 경우, AFTER@LHC 에서 $p$H$^\uparrow$ 충돌에서 연간 약 200,000개의 배타적 $J/\psi$ 광생산 사건이 기대된다.
• 1년간의 데이터 수집 후 $p$H$^\uparrow$ 충돌에서 단일 수평스핀 비대칭성 $A_N$ 의 통계 불확실성은 10% 이하로 예측된다.
• 비영인 $A_N$ 은 현재 잘 제약되지 않은 비영인 구입분포 $E_g$ 를 직접적으로 실험적으로 증명하는 첫 번째 증거가 될 것이다.
• $x_{\rm F}$ 에 따라 $A_N$ 을 미분 측정할 수 있으며, 이를 통해 핵자 내의 구입분포의 세밀한 톰오그라피 연구가 가능하다.
• PbH$^\uparrow$ 충돌에서는 동일한 수용각에서 연간 약 1,000개의 $J/\psi$ 사건이 기대되며, 이는 핵 GPD 연구를 위한 보완 채널을 제공한다.
• 본 연구는 AFTER@LHC 가 극화된 표적으로 $J/\psi$ 광생산을 통해 구입분포의 스핀 및 운동량 구조를 탐색하는 데 독보적인 위치를 점하고 있음을 입증한다.