[論文レビュー] HOT TOPICS IN ULTRA-PERIPHERAL ION COLLISIONS

G. Baur, C. A. Bertulani+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2002

Atomic and Molecular Physics被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、RHICおよびLHCにおける超外縁イオン衝突を、高エネルギー光子核反応および二光子反応を研究するための独自のプラットフォームとして提案する。高原子番号Zのイオンからのコherent電磁場を活用し、グルーオンシャドウイング、ポメロン結合定数、短寿命粒子における量子干渉、およびγγ衝突による新物理を調べる。主な貢献は、これらの衝突が、高Q²、低xグルーオン分布およびベクトルメソンのレーザー効果やコherent ρ生成における量子干渉といった新現象に、前例のないアクセスを可能にすることを示したことである。

ABSTRACT

Ultra-peripheral collisions of relativistic heavy ions involve long-ranged electromagnetic interactions at impact parameters too large for hadronic interactions to occur. The nuclear charges are large; with the coherent enhancement, the cross sections are also large. Many types of photonuclear and purely electromagnetic interactions are possible. We present here an introduction to ultra-peripheral collisions, and present four of the most compelling physics topics. This note developed from a discussion at a workshop on “Electromagnetic Probes of

研究の動機と目的

• 相対論的重イオン衝突における超外縁衝突（UPC）の物理学的ポテンシャルを調査すること。ここでは、大きな原子核電荷に起因する強い電磁場が支配的である。
• グルーオンシャドウイング、核へのポメロン結合、短寿命粒子を用いた干渉計測、および二光子過程による新物理探索という4つの魅力的な物理学的テーマを特定・動機づけること。
• RHICおよびLHCの既存および計画中の検出器が、特に急速度ギャップおよび前方プロトンのタグ付きを用いて、これらの現象を高い感度で探査できることを示すこと。
• UPCが、従来のe⁺e⁻衝突機に比べてエネルギー範囲およびインテンシティで優れる、特異的で高インテンシティのγAおよびγγ衝突環境を提供することを示すこと。
• これらの過程が、QCD、強い場における量子電磁力学、不安定粒子の量子力学的性質（特にベクトルメソン崩壊におけるEPR型パラドックスを含む）の精密なテストを可能にすることを主張すること。

提案手法

• 相対論的重イオンの電磁場を、Z²に比例するcoherent放射に起因するクーパー光子スペクトルとして記述するため、Weizsäcker-Williams法を用いる。
• コherent光子放射モデルを適用して、γAおよびγγのインテンシティを推定し、高衝突パラメータにおいてLHCのγAインテンシティがAAインテンシティを上回ることを示す。
• 中央部のハドロン的相互作用から分離するために、急速度ギャップのシグネチャおよび未変形核のタグ付きを用いる。
• 光子-グルーオン融合による重クォーク（charm, bottom, top）の光生成を用いて、核内の低xグルーオン分布を調べる。
• 2つのcoherent源からのベクトルメソン生成（例：ρ⁰）における干渉効果を分析し、破壊的干渉に起因する低横運動量での抑制を予測する。
• LHCの磁石を用いた前方プロトンのタグ付きにより、光子エネルギーを再構成し、ハドロン的バックグラウンドを抑制することで、クリアな二光子物理学を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RHICおよびLHCにおけるγA衝突での重クォークの光生成は、クォーク構造関数の進化とは独立して、核内の低xグルーオンシャドウイングを明確に探査できるか？
• RQ2 核へのポメロン結合は、陽子-陽子散乱におけるそれとはどのように異なり、ポメロンが色中性で真空に類似した交換粒子であるという性質を明らかにするか？
• RQ3 2つのcoherentベクトルメソン源（例：ρ⁰）からの量子干渉は、低pTでの抑制や、さらには超放射的レーザー効果といった観測可能な効果をもたらすか？ そして、これを実験的にどのように検証できるか？
• RQ4 LHCにおける二光子衝突の新物理感受性、特にγWW頂点および大次元の追加空間について、pp衝突と比較してどの程度高いか？
• RQ5 同一の最終状態（例：e⁺e⁻ または π⁺π⁻）に対するγγおよびγA振幅の干渉を測定することで、相対位相を抽出し、強い場領域における量子力学の検証が可能か？

主な発見

• LHCでは、RHICに比べてγAインテンシティが著しく高く、γγ衝突エネルギーは最大200 GeVに達し、LEP IIを上回る。
• Pb核を用いたLHCでは、コherent ρ⁰生成率が1秒あたり230,000個に達し、LHCは高統計的QCDおよびQED研究に適した「ベクトルメソン工場」として機能する。
• コherentベクトルメソンの横運動量はpT < 100 MeV/cに制限され、急速度ギャップおよび低pTの基準によりクリアに選別可能である。
• LHCにおけるWボソン対の二光子生成は、タグ付きの場合、ppインテンシティのおよそ1%に達するため、新物理探索において競争力を持つ。
• LHCにおける滑らかな衝突での複数ρ⁰生成確率は約3%であり、量子相関および潜在的な超放射的挙動の研究が可能である。
• コherent ρ⁰生成における干渉は、pT < ħ/RAで抑制を引き起こし、STAR検出器のデータではpT < 100 MeV/cで明確なピークが観測され、量子力学的予測を確認している。