[논문 리뷰] The Solenoidal Large Intensity Device (SoLID) for JLab 12 GeV

J. Arrington, Jay Benesch외 29명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 19.

Particle Detector Development and Performance인용 수 4

한 줄 요약

Solenoidal Large Intensity Device (SoLID)는 조지프슨 랩의 12 GeV 전자 비임을 위한 고광도, 광각도 스펙트로미터로, 반응형 깊은 비탄성 산란(SIDIS), 페어리티 위반 DIS(PVDIS), 임계값 근처 J/ψ 생성, 그리고 일반화된 파르톤 분포(GPDs)를 통한 양성자 구조의 정밀 측정을 가능하게 한다. 이 장치는 고성능 검출기 기술과 고속 데이터 수집 시스템을 활용하여 고-x 영역의 쿼크 분포를 접근하고, 양성자 질량에 대한 글루온 기여와 전자기적 결합을 초당 통계적 정밀도로 탐색한다.

ABSTRACT

The Solenoidal Large Intensity Device (SoLID) is a new experimental apparatus planned for Hall A at the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab). SoLID will combine large angular and momentum acceptance with the capability to handle very high data rates at high luminosity. With a slate of approved high-impact physics experiments, SoLID will push JLab to a new limit at the QCD intensity frontier that will exploit the full potential of its 12 GeV electron beam. In this paper, we present an overview of the rich physics program that can be realized with SoLID, which encompasses the tomography of the nucleon in 3-D momentum space from Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering (SIDIS), expanding the phase space in the search for new physics and novel hadronic effects in parity-violating DIS (PVDIS), a precision measurement of $J/ψ$ production at threshold that probes the gluon field and its contribution to the proton mass, tomography of the nucleon in combined coordinate and momentum space with deep exclusive reactions, and more. To meet the challenging requirements, the design of SoLID described here takes full advantage of recent progress in detector, data acquisition and computing technologies. In addition, we outline potential experiments beyond the currently approved program and discuss the physics that could be explored should upgrades of CEBAF become a reality in the future.

연구 동기 및 목표

• 편극된 3He 및 양성자 표적으로 고통계적 반응형 깊은 비탄성 산란(SIDIS)을 통해 양성자의 3차원 운동량 공간 구조를 탐색한다.
• 고x 영역에서 디우터늄 및 양성자에 대한 페어리티 위반 깊은 비탄성 산란(PVDIS)을 통해 전자기적 결합 상수를 측정하고, 표준모형을 초월하는 새로운 물리 현상을 탐지한다.
• 정밀한 측정을 통해 임계값 근처 J/ψ 생성을 통해 양성자 질량에 기여하는 글루온의 기여를 규명한다.
• 깊은 독립형 반응과 일반화된 파르톤 분포(GPDs)를 이용해 좌표 공간과 운동량 공간에서의 양성자 구조를 매핑한다.
• 전자-양성자 산란의 운동역학적 영역을 고Bjorken-x 및 고Q² 영역으로 확장하여 전자-이온 충돌기(EIC) 프로그램을 보완한다.

제안 방법

• 최대 4π 스테라디안의 광각도를 확보한 솔레노이드 자석 구형으로, 최대 10³⁹ cm⁻²s⁻¹의 광도에서 고다중도 최종 상태를 캡처한다.
• 고속 추적과 정밀한 운동량 측정을 위한 가스 전자 배율기(GEM) 트래커를 적용한다.
• 고속 환경에서 피오톤, 카이온, 양성자 식별을 위한 채로노프 검출기(빛과 무거운 기체)를 통합한다.
• 전자기 칼로미터 및 스컬린레이터 패드 검출기를 사용해 광자 및 하드론의 에너지 및 타이밍 측정을 수행한다.
• 고속 조건에서 정밀한 타이밍과 트리거를 위한 다중 갭 저항성 판상실리카(MRPC) 시스템을 구현한다.
• 실시간 처리, 머신러닝 및 편향 해소 기법을 적용한 고성능 데이터 수집 및 계산 시스템을 활용해 고이벤트 레이트를 처리하고 물리 관측량을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전단자향 의존성 SIDIS를 통해 드러나는 양성자의 3차원 운동량 공간 구조, 특히 전단자성 및 텐서 전하 분포는 무엇인가?
• RQ2 전자-전자 산란에서 비대칭도 A^{e+e-}를 통해 쿼크의 전자기 결합 상수는 무엇이며, 표준모형에서의 편차는 관측 가능한가?
• RQ3 임계값 근처 J/ψ 생성을 통해 탐색된 글루온 장이 양성자 질량 생성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 파르톤 분포함수(PDFs)와 일반화된 파르톤 분포함수(GPDs)는 좌표 공간과 운동량 공간에서 어떻게 진화하며, 양성자 스핀과 구조에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 EMC 효과의 이스피논 의존성은 무엇이며, 고x 영역에서 x와 Q²에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• SoLID는 기존 시설 대비 고-x 영역의 SIDIS에서 1000배 이상의 도구 성능 향상을 달성하여, 복사 쿼크 영역에서 전단자 운동량 의존 파르톤 분포(TMDs)의 정밀 추출이 가능하다.
• 디우터늄에 대한 PVDIS 프로그램은 이전의 뮤온 비임 실험을 뛰어넘는 정밀도로 2g_{AA}^{eu} - g_{AA}^{ed} 결합 상수 조합을 측정할 수 있으며, 20+ GeV 업그레이드 시나리오에서 목표 불확실도 약 0.15에 도달한다.
• SoLID에서의 임계값 근처 J/ψ 생성 측정은 글루온 기여에 대한 양성자 질량의 중력 형상함수 G_G(0)에 대해 약 10%의 민감도로 탐색할 수 있다.
• 깊은 독립형 메손 생성을 통한 GPD 프로그램은 좌표 공간과 운동량 공간에서의 양성자 3D 구조에 접근할 수 있으며, 운동역학적 영역이 x_Bj > 0.6까지 연장되어 이전에 고광도 조건에서 접근이 어려웠던 영역을 포함한다.
• SoLID의 고광도 능력 덕분에, x > 0.6에서 d/u PDF 비율을 처음으로 직접 측정할 수 있으며, 통계적 불확실도가 처음으로 1% 이하로 낮아진다.
• 장치는 10⁷ Hz를 초과하는 이벤트 레이트를 처리하도록 설계되었으며, AI/ML 기반 알고리즘을 활용해 실시간 이벤트 재구성 및 선택이 가능한 데이터 수집 시스템을 갖추고 있다.