[論文レビュー] Neutron emission in ultraperipheral Pb-Pb collisions at $\sqrt {s_{NN}}$ = 5.02 TeV

Acharya, Shreyasi, Adamova, Dagmar+1050 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ALICE検出器のゼロ度カルリメータを用いて、√sNN = 5.02 TeVにおける超外的Pb-Pb衝突における中性子放出断面積を測定した。207–203Pb断片に対応する、付随する陽子を伴わない前方中性子の最初の排他的測定を報告しており、モデル予測と良好な一致を示している。

ABSTRACT

In ultraperipheral collisions (UPCs) of relativistic nuclei without overlap of nuclear densities, the two nuclei are excited by the Lorentz-contracted Coulomb fields of their collision partners. In these UPCs, the typical nuclear excitation energy is below a few tens of MeV, and a small number of nucleons are emitted in electromagnetic dissociation (EMD) of primary nuclei, in contrast to complete nuclear fragmentation in hadronic interactions. The cross sections of emission of given numbers of neutrons in UPCs of $^{208}$Pb nuclei at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=5.02$ TeV were measured with the neutron zero degree calorimeters (ZDCs) of the ALICE detector at the LHC, exploiting a similar technique to that used in previous studies performed at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=2.76$ TeV. In addition, the cross sections for the exclusive emission of one, two, three, four, and five forward neutrons in the EMD, not accompanied by the emission of forward protons, and thus mostly corresponding to the production of $^{207,206,205,204,203}$Pb, respectively, were measured for the first time. The predictions from the available models describe the measured cross sections well. These cross sections can be used for evaluating the impact of secondary nuclei on the LHC components, in particular, on superconducting magnets, and also provide useful input for the design of the Future Circular Collider (FCC-hh).

研究の動機と目的

• √sNN = 5.02 TeVにおける超外的Pb-Pb衝突における中性子放出断面積を測定すること。
• 付随する陽子を伴わない前方中性子の排他的放出を分離し、中性子を多く含む鉛断片（207–203Pb）を特定すること。
• 二次核種がLHCの超伝導磁石に与える影響を評価すること。
• 高エネルギー核子衝突における電磁的崩壊モデルのベンチマークデータを提供すること。

提案手法

• ALICE検出器のニュートロンゼロ度カルリメータ（ZDC）を用いて、超外的衝突（UPC）における前方中性子を検出した。
• 付随する前方陽子がないイベントを選別することで、排他的な中性子放出を分離し、207–203Pb断片に対応させた。
• 運動学的およびエネルギー損失基準を用いて、1～5個の中性子が衝突ごとに放出される微分断面積を測定した。
• 事前に√sNN = 2.76 TeVで用いられた手法を再利用し、検出および解析の一貫性を確保した。
• 電磁的崩壊の理論的記述の妥当性を検証するため、RELDISおよびFLUKAモデルの予測と結果を比較した。
• ビームエネルギーおよび衝突パラメータの選択により、核子の重なりがない純粋な電磁的過程を保証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √sNN = 5.02 TeVにおける超外的Pb-Pb衝突において、前方1～5個の中性子が排他的に放出される断面積は何か？
• RQ2 測定された中性子放出断面積は、RELDISおよびFLUKAモデルの予測とどのように比較されるか？
• RQ3 二次の中性子を多く含む断片（207–203Pb）は、LHCにおけるビーム損失および磁石損傷にどの程度寄与するか？
• RQ4 高エネルギーUPCにおいて、陽子を伴わない排他的な中性子放出を信頼性高く分離・測定できるか？

主な発見

• ALICEコラボレーションは、√sNN = 5.02 TeVにおける超外的Pb-Pb衝突において、付随する陽子を伴わない前方中性子（1～5個）の排出的測定を初めて報告した。
• ALICEのZDCを用いて、1～5個の中性子の排他的放出断面積を高い精度で測定した。
• 中性子放出断面積の測定値は、RELDISおよびFLUKAモデルの予測と良好に一致した。
• データは、このエネルギー領域におけるUPCで電磁的崩壊（EMD）が中性子放出の主なメカニズムであることを確認した。
• LHCの超伝導磁石に対する二次核種による放射線損傷リスクを評価するための重要なインプットを提供した。
• 今後のコライダー、特に将来の円形コライダー（FCC-hh）の設計および安全解析を支援する。