[논문 리뷰] The LHCSpin Project

C. Aidala, Alessandro Bacchetta외 29명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

LHCSpin 프로젝트는 LHCb 검출기 앞에 극화된 수소 또는 중수소 기체 표적을 설치하여 양성자 및 핵에서 스핀에 의존하는 파arton 분포를 고정밀도로 연구할 수 있도록 한다. 새로운 개방식 저장 셀과 Breit-Rabi 극화도계, 표적 기체 분석기와 함께 사용함으로써 시스템은 80% 이상의 극화도를 달성하면서도 빔 수명에 거의 영향을 주지 않으며, 4.7×10³² cm⁻²s⁻¹까지의 루미노시티를 가능하게 하여 Drell-Yan, 약한 보손 및 무거운 풍미의 생성을 통해 양성자 및 핵의 강한 상호작용 역학을 테스트할 수 있는 새로운 운동역학 영역을 열어준다.

ABSTRACT

LHCSpin aims at installing a polarized gas target in front of the LHCb spectrometer, bringing, for the first time, polarized physics to the LHC. The project will benefit from the experience achieved with the installation of an unpolarized gas target at LHCb during the LHC Long Shutdown 2. LHCb will then become the first experiment simultaneously running in collider and fixed-target mode with polarized targets, opening a whole new range of explorations to its exceptional spectrometer. LHCSpin will offer a unique opportunity to probe polarized quark and gluon parton distributions in nucleons and nuclei, especially at high $x$ and intermediate $Q^2$, where experimental data are still largely missing. Beside standard collinear parton distribution functions (PDFs), LHCSpin will make it possible to study multidimensional polarized parton distributions that depend also on parton transverse momentum. The study of the multidimensional partonic structure of the nucleon, particularly including polarization effects, can test our knowledge of QCD at an unprecedented level of sophistication, both in the perturbative and nonperturbative regime. At the same time, an accurate knowledge of hadron structure is necessary for precision measurements of Standard Model (SM) observables and discovery of physics beyond the SM. Due to the intricate nature of the strong interaction, it is indispensable to perform the widest possible suite of experimental measurements. It will be ideal to have two new projects complementing each other: a new facility for polarized electron-proton collisions and a new facility for polarized proton-proton collisions. LHCSpin stands out at the moment as the most promising candidate for the second type of project, going beyond the kinematic coverage and the accuracy of the existent experiments, especially on the heavy-quark sector.

연구 동기 및 목표

• 극화된 고정표적 물리 실험을 도입하여 LHCb의 능력을 확장하고, 극화된 빔을 동반한 첫 번째 동시 콜리더 및 고정표적 운용을 가능하게 한다.
• 자료가 희박한 고-x 및 중간-Q² 영역에서 양성자의 다차원적 구조, 특히 운동량의 가로성분에 의존하는 (TMD) 파arton 분포 함수(PDFs)를 탐색한다.
• 표적에 극화되지 않은 물질이 없고 빠른 스핀 상태 전환(분 단위)을 통해 극화된 PDF 측정의 체계적 오차를 감소시킨다.
• 양성자의 스핀 퍼즐을 해결하기 위해 스핀-오비탈 상관관계와 파arton 궤도 운동량을 연구할 수 있는 고유한 플랫폼을 제공한다.
• 개선된 하드론 구조 지식을 통해 표준모형 관측량의 정밀 측정과 새로운 물리 현상 탐색을 지원한다.

제안 방법

• 13.90 l/s의 유량을 가진 저장 셀에 극화된 수소 또는 중수소 원자를 주입하기 위해 닫힌 루프 원자 빔 소스(ABS)를 활용하여 중심 밀도 4.68×10¹² cm⁻³를 달성한다.
• 빔 웨이크필드 효과를 최소화하고 빔 수명을 유지하기 위해 웨이크 필드 억제기(WFS)와 구멍 뚫린 펌프 튜브를 갖춘 개방식 저장 셀 설계를 구현한다.
• 지속적인 초미세 상태 분포와 분자 재결합을 모니터링하기 위해 Breit-Rabi 극화도계(BRP)와 표적 기체 분석기(TGA)를 통합하여 실시간 극화도 측정이 가능하도록 한다.
• 상호작용 지점에서 1.5 m 거리에 위치한 VELO 검출기 상류에 3–5층의 소형, 방사선 내성 실리콘 픽셀 트래커를 설치하여 추적 효율을 유지한다.
• 1.0 cm 지름, 15 cm 길이의 공급 튜브를 사용하여 저장 셀에 매초 6.5×10¹⁶개의 원자를 공급하여 300 K에서 극화된 수소의 면밀도 밀도를 7.02×10¹³ cm⁻²로 달성한다.
• 프로톤 빔 강도(3.8×10¹⁸ p/s)와 pp 총 단면적(0.05 b)을 사용하여 빔 손실률을 모델링하여 상대적 손실률 1.5×10⁻⁷ s⁻¹를 도출하고, 최소 부분 빔 수명을 77일로 산정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극화된 기체 표적이 콜리더 환경에서 LHCb에 성공적으로 설치 및 운영되어 고정표적 스핀 물리 실험을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 빠른 스핀 상태 전환을 갖춘 기체 표적 시스템을 사용할 때, 수소-프로톤 충돌에서 달성 가능한 루미노시티와 극화도 수준은 무엇인가?
• RQ3 극화된 기체 표적이 LHC 프로톤 빔 수명에 미치는 영향은 어느 정도이며, 장기간의 빔 채우기 동안 이를 무시할 수 있을 정도로 낮출 수 있는가?
• RQ4 극화된 프로톤-수소 충돌에서 Drell-Yan 및 무거운 풍미의 생성을 통해 운동량의 가로성분에 의존하는(TMD) 파arton 분포 함수는 어느 정도 정밀도로 추출할 수 있는가?
• RQ5 고-x 및 중간-Q² 운동역학 영역을 통해 시스템이 양성자 내 스핀-오비탈 상관관계와 파arton 궤도 운동량에 대한 새로운 제약 조건을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 저장 셀 내에서 중심 원자 밀도 4.68×10¹² cm⁻³를 달성하여 300 K에서 극화된 수소의 면밀도 밀도 7.02×10¹³ cm⁻²를 확보한다.
• 수소-프로톤 충돌에서 루미노시티는 100 K에서 4.7×10³² cm⁻²s⁻¹에 도달하며, 최대 가능 루미노시티는 1.0×10³³ cm⁻²s⁻¹이다.
• 빔 손실률은 5.0×10⁷개의 프로톤/초로 추정되며, 이는 상대적 손실률 1.5×10⁻⁷ s⁻¹에 해당하여 최소 부분 빔 수명 77일을 제공한다.
• 빠른 스핀 상태 전환(분 단위)을 통해 시스템은 >80%의 극화도를 유지하며 체계적 오차를 크게 감소시킨다.
• 빔 수명에 미치는 영향은 극히 미미하여 빔 손실률이 일반적인 빔 채우기 기간보다 훨씬 낮게 유지되어 장기간의 LHC 채우기와 호환된다.
• WFS와 진단 시스템(BRP 및 TGA)을 갖춘 개방식 저장 셀 설계는 표적 극화도와 기체 품질의 안정적 실시간 모니터링 및 제어를 가능하게 한다.