[論文レビュー] Di-muon measurements in CBM experiment at FAIR

Abhishodh Prakash, Partha Pratim Bhaduri+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2011

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、FAIRにおけるCBM実験における二重ミューオン測定の実現可能性に関する研究を提示している。6枚の鉄吸収体と18層のトラッキング系を備えたミューオン検出系を用いて、低質量ベクトルメソン（ω）およびチアーモニア（J/ψ）の二重ミューオン崩壊モードを同定する。シミュレーションにより、35 AGeVにおけるJ/ψの信号再構成効率は最大13%、S/B比は11に達し、高バリオン密度におけるハドロン的効果およびQCD相図の探査が可能であることが示された。

ABSTRACT

The compressed baryonic matter (CBM) experiment at the future FAIR accelerator facility near Darmstadt, Germany, aims at the investigation of baryonic matter at highest net baryon densities but moderate temperatures, by colliding heavy-ions at beam energies from 10 to 45 A GeV. The research program comprises the exploration of some basic landmarks of the QCD phase diagram like transitions from hadronic to partonic phase, the region of first order de-confinement as well as chiral phase transition, and the critical end point. The proposed key observables include the measurement of low mass vector mesons and charmonia, which can be detected via their decay into the di-lepton channel. As the decayed leptons leave the hot and dense fireball without further interactions, hence they provide almost unscathed information about the interior of the collision zone where they are being created. In this paper, we discuss the physics motivation, detector concepts, and the feasibility studies in the di-muon measurements for central Au + Au collisions, with a special reference to the detailed simulation activities performed by the CBM muon group.We also discuss the R&D activities of detector in brief.

研究の動機と目的

• FAIRにおける中央部Au+Au衝突において、低質量ベクトルメソン（ω、ρ、φ）およびチアーモニア（J/ψ、ψ′）の二重ミューオン崩壊モードを検出する実現可能性を調査すること。
• QCD相図に関連する高バリオン密度および中程度の温度条件を想定した、ミューオン検出系の最適化された構成を確立すること。
• フルイベントシミュレーションを用いて、CBM検出器構成における二重ミューオン信号の再構成効率および信号対背景比を評価すること。
• ビームおよび宇宙線条件下でのプロトタイプGEMベースのミューオン検出器の性能を評価すること。

提案手法

• ベクトルメソンの相空間崩壊にはPLUTO、多重度にはHSDを用いたCBMフレームワークに基づくフルイベントシミュレーション。
• 二次粒子（パイオンおよびその弱い崩壊を含む）の背景シミュレーションにはURQMDを用いる。
• 鉄吸収体およびトラッキング層を含む、GEANT3を用いた粒子の検出器内通過シミュレーション。
• シリコントラッキングシステムからの軌道外挿法を用いたミューオン同定。選別は通過する層数に基づく（LMVMでは15層、チアーモニアでは18層）。
• カルマンフィッターを用いた軌道フィッティングおよび±2σウィンドウ内でのインバリアント質量スペクトル解析による信号再構成。
• 相反電荷トラックを異なるUrQMDイベントから組み合わせる「スーパーイベント」技術を用いた組み合わせ的背景推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央部Au+Au衝突において、8–35 AGeVのビームエネルギーで、低質量ベクトルメソンおよびチアーモニアが組み合わせ的背景を超えて再構成可能か？
• RQ2 J/ψおよびω崩壊を区別するための最適なミューオン検出系構成（吸収体厚さ、トラッキング層数）は何か？
• RQ3 二重ミューオン信号の信号対背景比は、ビームエネルギーおよび検出器設計にどのように依存するか？
• RQ4 弱いパイオン崩壊に起因するミューオンが、二重ミューオンインバリアント質量スペクトルの背景をどの程度支配するか？
• RQ5 プロトタイプGEM検出器は、CBMレベルの性能を満たす十分な効率およびパルス高さ分解能を達成できるか？

主な発見

• 35 AGeVにおいて、J/ψ → μ⁺μ⁻の再構成効率は13%に達し、信号対背景比は11に達しており、チアーモニア検出の強力な実現可能性を示している。
• ω → μ⁺μ⁻では、35 AGeVにおける効率は1.82%であり、信号対背景比は0.34にとどまるが、低統計でも検出可能であることが示された。
• 8 AGeVでは、ωの信号対背景比が1.41に上昇し、低エネルギーでより良好な背景抑制が達成されることを示している。
• プロトタイプGEMチャネルは宇宙線テストで95%の検出効率を達成し、高電圧に比例する線形なパルス高さ応答を示した。
• 6枚の吸収体と18層の最適化された検出器設計により、最大100万の読み出しチャンネルをサポートでき、高精度なミューオントラッキングが可能となった。
• シミュレーションフレームワークは、弱いパイオン崩壊に起因する背景が支配的であることを含め、検出器の全応答を的確にモデル化できた。