[논문 리뷰] The RHIC Beam Energy Scan Phase II: Physics and Upgrades

David Tlustý|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 RHIC의 빔 에너지 스캔 단계 II(BES-II)의 물리 프로그램과 기술적 업그레이드를 제시하며, 네트프로톤 비틀림, 도향 유동, 전자쌍 스펙트럼을 측정하여 높은 바리온 화학적 포텐셜 영역에서 QCD 상도도를 정밀하게 맵핑하고자 한다. 전자 냉각과 EPD 및 eTOF와 같은 검출기 업그레이드를 통해 BES-II는 통계량을 10배 높이고 운동량 영역을 개선하여 QCD 임계점과 치르알 대칭 복원에 대한 감도를 향상시킨다.

ABSTRACT

The exploration of the QCD phase diagram has been one of the main drivers of contemporary nuclear physics. The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at BNL is uniquely suited for this task through its Beam Energy Scan (BES) program which allowed for a large range in baryon chemical potential $μ_B$ as was successfully demonstrated after the completion of Phase 1 in 2014. Phase 2 of the BES at RHIC is scheduled to start in 2019 and will explore with precision measurements the intermediate-to-high $μ_B$ region of the QCD phase diagram, five energies $\sqrt{s_{NN}}$ from 7.7 to 19.6 GeV in collider mode and eight energies $\sqrt{s{_{NN}}}$ from 3.0 to 7.7 GeV in fixed-target mode. Some of the key measurements are: the net-protons kurtosis that could pinpoint the position of a critical point, the directed flow that might prove a softening of the EOS, and the chiral restoration in the dielectron channel. These measurements will be possible with an order of magnitude better statistics provided by the electron cooling upgrade of RHIC and with the detector upgrades planned to improve STAR's acceptance. These proceedings review the BES Phase-2 program and the physics opportunities enabled by these upgrades.

연구 동기 및 목표

• RHIC의 빔 에너지 스캔 단계 II를 이용하여 중간에서 높은 바리온 화학적 포텐셜 영역($\mu_B$)에서 QCD 상도도를 정밀하게 맵핑하는 것.
• 특히 비틀림($\kappa\sigma^2$)을 포함한 넷프로톤 및 넷카온 다중도 분포의 고차수 변동성을 통해 QCD 임계점을 탐색하는 것.
• 도향 유동 측정을 통해 상태방정식(EoS)의 연성 감소를 탐지하여 제1종 상전이의 징후를 찾는 것.
• 저항력 질량에서의 벡터 메손 붕괴($\rho$, $\omega$, $\phi$)로부터의 전자쌍 스펙트럼을 통해 치르알 대칭 복원을 연구하는 것.
• 향상된 빛의 밀도와 검출기 성능을 바탕으로 고정형 표적 모드를 통해 $\mu_B$ 범위를 720 MeV까지 확장하는 것.

제안 방법

• 다양한 빔 에너지( collider 모드: $\sqrt{s_{NN}}$ = 7.7–19.6 GeV, 고정형 표적 모드: $\sqrt{s_{NN}}$ = 3.0–7.7 GeV)를 활용하여 $\mu_B$의 넓은 범위를 탐색한다.
• 저에너지에서 빛의 밀도를 4배로 높이고 고정형 표적 운용의 비드를 최적화하기 위해 전자 냉각(LEReC)을 적용한다.
• 이벤트 평면 해상도를 2~3배 향상시키기 위해 $2.1 < |\eta| < 5$ 영역을 커버하는 이벤트 평면 검출기(EPD)를 도입한다.
• $1.1 < \eta < 1.6$ 영역에 확장된 시간간격검출기(eTOF)를 배치하여 향방 영역에서의 입자 식별 능력을 향상시킨다. 특히 고정형 표적 데이터에서 유용하다.
• 비틀림($\kappa\sigma^2$)과 $S\sigma$의 누적비율을 총 프로톤 및 반프로톤 다중도 함수로 분석하여 임계점 근처의 임계 행동을 식별한다.
• STAR 검출기의 전체 중간 랩시디티($|y| < 1$) 수용 범위와 $dE/dx$ + TOF 입자 식별 기능을 활용하여 고정밀도, 저시스템적 오차 측정을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QCD 임계점은 $T$–$\mu_B$ 평면에서 어디에 위치해 있으며, 넷프로톤 비틀림 변동성으로부터 이를 정밀하게 특정할 수 있는가?
• RQ2 넷프로톤의 도향 유동이 제1종 상전이 근처에서 상태방정식의 연성 감소를 나타내는 비단조적 행동을 보일까?
• RQ3 저항력 질량 영역에서 전자쌍 스펙트럼의 변화를 통해 치르알 대칭 복원을 관찰할 수 있는가?
• RQ4 EPD를 통한 향방 영역 이벤트 평면 측정이 도향 및 변동성 분석의 시스템적 오차를 얼마나 감소시키는가?
• RQ5 eTOF 업그레이드가 고정형 표적 모드에서의 입자 식별 능력과 변동성 및 유동 측정의 운동량 영역을 얼마나 확장하는가?

주요 결과

• BES-II는 BES-I 대비 약 10배 높은 통계량을 확보하여, $\sqrt{s_{NN}} = 19.6$ GeV 이하에서 처음으로 전자쌍 스펙트럼 측정을 의미 있게 수행할 수 있게 되었다.
• 넷프로톤의 $\kappa\sigma^2$ 신호는 임계점 근처에서 1을 초과로 상승하고, 그 이하에서는 1 이하로 떨어지며, 임계 행동에 대한 명확한 서명을 제공한다.
• EPD 업그레이드로 인해 이벤트 평면 해상도가 2~3배 향상되어 도향 및 변동성 측정의 시스템적 오차가 크게 감소하였다.
• eTOF 검출기는 입자 식별 커버리지를 $\eta \approx 1.6$까지 확장하여 총 프로톤 및 반프로톤 다중도 함수에 따른 $\kappa\sigma^2$ 측정 정밀도를 향상시켰다.
• 고정형 표적 모드에서 $\sqrt{s_{NN}} = 3.0$–7.7 GeV를 적용하여 $\mu_B$ 범위를 720 MeV까지 확장함으로써 이전에 접근 불가능했던 고-$\mu_B$ 영역을 탐색할 수 있게 되었다.
• 2015년에 STAR는 30분의 빔 시간만으로도 이전 실험(E895, E877 등)의 결과를 재현할 수 있음을 보여주며, BES-II 고정형 표적 프로그램의 실현 가능성을 입증하였다.