[論文レビュー] sPHENIX: An Upgrade Concept from the PHENIX Collaboration

Adare, A., C. Aidala+425 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2012

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 30

ひとこと要約

sPHENIXは、RHICにおけるPHENIX検出器の大幅なアップグレードであり、2 Tのソレノイド磁石と包括的なカリメータを備えており、重イオン衝突における高精度なジェットおよびジジェット測定を可能にする。アップグレードにより、20週間の走行でET > 20 GeVのジジェット事象を1000万件以上収集し、強い結合したクォーク- gluonプラズマの理解に不可欠な知見を提供するとともに、将来の電子イオン衝突加速器（EIC）との互換性を確保する。

ABSTRACT

The PHENIX collaboration presents a concept for a major upgrade to the PHENIX detector at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). This upgrade, referred to as sPHENIX, brings exciting new capability to the RHIC program by opening new and important channels for experimental investigation and utilizing fully the luminosity of the recently upgraded RHIC facility. sPHENIX enables a compelling jet physics program that will address fundamental questions about the nature of the strongly coupled quark-gluon plasma discovered experimentally at RHIC to be a perfect fluid. The upgrade concept addresses specific questions whose answers are necessary to advance our understanding of the quark-gluon plasma: (1) How to reconcile the observed strongly coupled quark-gluon plasma with the asymptotically free theory of quarks and gluons? (2) What are the dynamical changes to the quark-gluon plasma in terms of quasiparticles and excitations as a function of temperature? (3) How sharp is the transition of the quark-gluon plasma from the most strongly coupled regime near Tc to a weakly coupled system of partons known to emerge at asymptotically high temperatures? In three Appendices, we detail the additional physics capabilities gained through further upgrades: (A) two midrapidity detector additions, (B) a forward rapidity upgrade, and (C) an evolution to an ePHENIX detector suitable for a future Electron Ion Collider at RHIC.

研究の動機と目的

• RHICにおける重イオン衝突で形成される強い結合したクォーク-グルーオンプラズマ（sQGP）の性質に関する根本的問いに応える。
• Tcに近い温度から高エネルギー極限の高温に至るまでのQGPの温度依存性と動的進化を調査する。
• sQGPにおけるパートンショウと媒体の相互作用を調べるための高精度なジェット観測量を可能にする。
• モジュラー設計により、将来のアップグレードおよびEICとの互換性を確保する基盤を提供する。
• アップグレードされたRHICの全有効断面積を活用し、p+p、p(d)+A、およびA+A衝突において大規模なデータサンプルを収集し、精度の高い制御研究を実施する。

提案手法

• |η| < 1.0の範囲で一様なトラッキングおよび運動量分解能を提供するため、半径70 cmの2 Tソレノイド磁場を実装する。
• |η| < 1.0の範囲で完全なカバーを有する電磁気およびハドロンカリメータを統合し、分離したジェットおよびγ+ジェット相関を測定する。
• 既存のPHENIXの機械的および電気的インfraストラクチャを活用することで、コスト削減と建設の加速を図る。
• Geant4ベースのフル検出器シミュレーションを用いて、p+pおよびAu+Au衝突におけるジェット再構築および性能最適化を実施する。
• モジュラリティと将来のアップグレードを想定した設計を実施し、追加のトラッキングおよび高分解能プリシャワー検出器を含む。
• 将来のeRHIC（電子イオン衝突加速器）フェーズに準拠するため、sPHENIXをePHENIXのコアとして設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨界温度Tcに近い領域でクォーク-グルーオンプラズマが完全流体として振る舞うメカニズムは何か？強い結合の背後にあるダイナミクスは何か？
• RQ2 強い結合から弱い結合への遷移に伴い、QGPの準粒子および励起スペクトルにどのような変化が生じるか？
• RQ3 Tcに近い領域における強い結合クォーク-グルーオンプラズマから高温度域の弱い結合したパートオン系への遷移は、どの程度鋭いか？
• RQ4 sQGPにおけるジェットクエンチングおよびフラグメンテーション関数の進化はどのように進行し、それらが媒体の密度および輸送特性をどのように示すか？
• RQ5 p(d)+A衝突における冷たい核物質効果の役割は何か？それらはジェット生成および抑制にどのように影響を及えるか？

主な発見

• sPHENIXのアップグレード費用はおよそ2500万ドルと推定され、5年以内に建設および設置可能である。
• アップグレードされたRHICの全有効断面積を活用することで、20週間の走行で500億件を超えるAu+Au衝突を収集し、ET > 20 GeVのジジェット事象を1000万件以上得られる。
• 検出器設計により、sQGPの輸送およびエネルギー損失機構を解明する上で不可欠なγ+ジェットおよびジジェット相関の高精度測定が可能になる。
• ソレノイド磁場のオープンな幾何構造により、将来の前方および後方スケーラーのアップグレードが可能となり、全ラピディティにカバーを拡大できる。
• 将来のEIC運用と完全に互換性があり、sPHENIXは電子イオン衝突加速器におけるePHENIX検出器の基盤を担う。
• ヘビィクォークォニア、 charm/Beauty ジェット、および低質量二重レプトンの研究を可能にするため、拡張トラッキングおよび高分解能プリシャワー検出器の追加アップグレードが計画されている。