[논문 리뷰] A next-generation LHC heavy-ion experiment

D. Adamová, M. Arslandok외 397명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 31.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 29인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 초저비용 재료 예산을 가진 차세대 LHC 중이온 실험을 제안하며, 웨이퍼 스케일 CMOS 단일화 활성 픽셀 센서(MAPS)를 사용한 소형 원통형 벨로우스 검출기로 층당 0.05% X₀의 재료 예산을 달성한다. 이 검출기는 초당 약 20 ps의 시간 해상도를 제공해, 10 MeV/c 수준의 낮은 횡방향 운동량을 가진 레프톤, 광자, 무거운 쿼크로 이루어진 상태를 정밀하게 측정할 수 있으며, 업그레이드된 ALICE보다 20–50배 높은 루미노미티에서 작동함으로써, 양성자-중이온 및 중이온 충돌에서의 쿼크-글루온 플라즈마 성질과 소프트 QCD 현상에 대한 새로운 통찰을 열어준다.

ABSTRACT

The present document discusses plans for a compact, next-generation multi-purpose detector at the LHC as a follow-up to the present ALICE experiment. The aim is to build a nearly massless barrel detector consisting of truly cylindrical layers based on curved wafer-scale ultra-thin silicon sensors with MAPS technology, featuring an unprecedented low material budget of 0.05% X$_0$ per layer, with the innermost layers possibly positioned inside the beam pipe. In addition to superior tracking and vertexing capabilities over a wide momentum range down to a few tens of MeV/$c$, the detector will provide particle identification via time-of-flight determination with about 20~ps resolution. In addition, electron and photon identification will be performed in a separate shower detector. The proposed detector is conceived for studies of pp, pA and AA collisions at luminosities a factor of 20 to 50 times higher than possible with the upgraded ALICE detector, enabling a rich physics program ranging from measurements with electromagnetic probes at ultra-low transverse momenta to precision physics in the charm and beauty sector.

연구 동기 및 목표

• QCD 물질 내에서 소프트 및 무거운 풍미 탐사자들을 연구하기 위해, 초초저재료 예산과 뛰어난 추적 성능을 가진 차세대 다기능 LHC 중이온 검출기를 설계하는 것.
• 현재 실험에서 접근할 수 없는, 횡방향 운동량이 수십 MeV/c 수준까지 낮은 전자기 탐사자들을 측정할 수 있도록 하는 것.
• 1.8–3 GeV 영역에서 정밀한 이중 레프톤 스펙트로스코피를 통해 쿼크-글루온 플라즈마의 온도를 고정밀도로 측정하는 것.
• 전환 방법을 사용해 1 MeV/c까지의 초저에너지 광자를 측정함으로써 양자장 이론에서 예측된 QED 및 QCD의 소프트 정리가 실험적으로 검증 가능한지 테스트하는 것.
• 기타 쿼크로 이루어진 상태, 다중 무거운 풍미를 가진 하드론, 어둠픈 광자 등을 포함해 LHC 중이온 충돌의 물리적 영역을 확장하는 것.

제안 방법

• 웨이퍼 스케일 초박공 CMOS MAPS를 사용해, 층당 0.05% X₀의 거의 질량이 없는 완전한 원통형 벨로우스 트래커를 실현함으로써, pT ~ 30 MeV/c 수준의 입자를 탐지할 수 있도록 하는 것.
• CMOS 센서가 내재적으로 가진 약 20 ps의 시간 해상도를 활용해 고정밀 시간 간격 측정을 수행함으로써 전자 및 광자를 식별하는 것.
• 고속도에서의 전자 및 광자 식별을 위해 전용 쇼워 검출기를 통합하고, 광자 탐지를 위해 제거 가능한 전환 필름을 함께 사용하는 것.
• 내부 검출기 층들을 빔 파이프 안쪽이나 매우 가까이에 위치시켜, 낮은 pT 영역에서의 위상공간 커버리지를 극대화하는 것.
• CMOS MAPS의 고속도 성능을 활용해, 업그레이드된 ALICE보다 20–50배 높은 루미노미티에서 작동함으로써, pp, pA, AA 충돌에서의 고통계 연구를 가능하게 하는 것.
• 버텍스 태깅과 시간 간격 해상도를 활용해 비순수 이중 레프톤 배경을 억제하고 열적 이중 레프톤 연속체를 고립하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중앙부의 Pb-Pb 충돌에서 1.26 GeV 근처의 이중 레프톤 연속체 정밀 측정을 통해 ρ–a1 영역에서의 치랄 대칭 복원이 탐지될 수 있는가?
• RQ2 1.8–3 GeV 영역에서 열적 이중 레프톤 스펙트럼의 형태를 통해 쿼크-글루온 플라즈마의 온도를 고정밀도로 결정할 수 있는가?
• RQ3 100 MeV/c 이하의 횡방향 운동량에서 양자장 이론에서 예측된 실광자의 1/pT 발산 특성이 실험적으로 검증될 수 있는가?
• RQ4 쿼크 구성과 시스템 크기가 초저에너지 광자의 생성에 미치는 영향은 무엇이며, 강입자 브레멘스트랄루링에서의 이격을 관측할 수 있는가?
• RQ5 기타 쿼크로 이루어진 상태와 다중 무거운 풍미를 가진 바리온의 생성이 충분한 정밀도로 측정되어 쿼크-글루온 플라즈마 성질을 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 검출기는 층당 단지 0.05% X₀의 재료 예산을 확보하여, 횡방향 운동량 약 30 MeV/c 수준의 입자를 탐지할 수 있다.
• 약 20 ps의 시간 간격 해상도를 통해, 500 MeV/c 수준의 전자 및 광자 식별이 가능하며, 고속도 전자에 대해서는 전용 쇼워 검출기를 통해 식별이 가능하다.
• 열적 이중 레프톤 연속체를 ρ 메손까지 약 1.6 GeV까지 고정밀도로 측정할 수 있어, 치랄 대칭 복원의 정량적 검증이 가능하다.
• 중앙부 Pb-Pb 충돌에서 0 < m < 3 GeV 영역의 저질량 이중 레프톤 연속체를 충분한 해상도로 측정해, a1 메손 최소값 근처의 1.26 GeV 부근에서의 채워짐 현상을 관측할 수 있다.
• 전환 방법을 통한 광자 탐지로 횡방향 운동량 탐지 범위를 50–100 MeV/c까지 확장할 수 있으며, 향후 스펙트로미터는 1–100 MeV/c 영역까지 탐지 가능해 소프트 정리 검증에 기여할 수 있다.
• 20–50배 높은 루미노미티 작동 조건은 디스오리엔티드 카이랄 컨덴세이트 및 어둠픈 광자와 같은 희귀 과정의 고통계 연구를 가능하게 한다.