[논문 리뷰] The SeaQuest Spectrometer at Fermilab

SeaQuest Collaboration, C. Aidala외 96명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 16인용 수 8

한 줄 요약

Fermilab의 SeaQuest 분광계는 수소, 중수소 및 고체 타겟과의 120 GeV 프로톤 충돌에서 발생하는 딤투론 쌍을 측정하여 Drell-Yan 과정을 통해 반쿼ark 분포를 탐구한다. 이 분광계는 J/ψ 피크에서 0.21 GeV/c²의 질량 해상도를 확보하여 해쿼크의 풍미 의존성과 핵의 수정을 정밀하게 연구할 수 있다.

ABSTRACT

The SeaQuest spectrometer at Fermilab was designed to detect oppositely-charged pairs of muons (dimuons) produced by interactions between a 120 GeV proton beam and liquid hydrogen, liquid deuterium and solid nuclear targets. The primary physics program uses the Drell-Yan process to probe antiquark distributions in the target nucleon. The spectrometer consists of a target system, two dipole magnets and four detector stations. The upstream magnet is a closed-aperture solid iron magnet which also serves as the beam dump, while the second magnet is an open aperture magnet. Each of the detector stations consists of scintillator hodoscopes and a high-resolution tracking device. The FPGA-based trigger compares the hodoscope signals to a set of pre-programmed roads to determine if the event contains oppositely-signed, high-mass muon pairs.

연구 동기 및 목표

• Drell-Yan 과정을 이용하여 양성자 내 해쿼크의 풍미 의존성을 조사한다.
• 핵에서의 양성자에 대한 반다운 쿼크와 반업 쿼크 분포 비율($\bar{d}/\bar{u}$)을 측정한다.
• 양성자가 핵에 결합할 때 해쿼크 구조에 미치는 영향을 연구한다.
• 편광된 빔과 타겟을 이용한 미래 측정, 예를 들어 어둠픈 포톤 탐색 및 Sivers 비대칭성 연구를 가능하게 한다.
• 고정밀 데이터 수집을 위해 고도화된 트리거, DAQ 및 슬로우 콘트롤 시스템을 확보한다.

제안 방법

• 액체 수소, 액체 중수소 및 고체 핵 타겟에 120 GeV 프로톤 빔을 조사한다.
• 두 개의 도플 맨틀—상류에 위치한 폐쇄형 압력 해제 맨틀과 하류에 위치한 개방형 맨틀—을 사용하여 뮤온 궤적을 굴절하고 집중시킨다.
• 트래킹 및 뮤온 식별을 위해 스цин티레이터 토드스코프와 고해상도 드프 카메라로 구성된 네 개의 검출기 스테이션을 장착한다.
• 하도스코프 신호를 사전 프로그래밍된 로드와 비교하여 반대 전하를 가진 고질량 딤투론 쌍을 선택하는 FPGA 기반 트리거 시스템을 적용한다.
• 이벤트, 스케일러, 빔 및 슬로우 콘트롤 서브시스템을 포함하는 CODA 기반 데이터 수집 시스템을 사용하여 실시간 모니터링과 데이터 무결성을 확보한다.
• 모의 실험을 통해 질량 해상도와 검출기 성능을 검증하며, J/ψ 및 ψ′ 피크를 이용한 캘리브레이션을 실시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Drell-Yan 과정을 통해 측정된 양성자 내 반다운 쿼크와 반업 쿼크의 상대 기여도는 어떻게 되는가?
• RQ2 양성자가 핵에 결합할 때 핵 효과가 해쿼크 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 Drell-Yan 단면적은 양성자 내 파르톤 분포의 풍미 의존성을 어느 정도 반영하는가?
• RQ4 분광계는 J/ψ 및 ψ′ 피크를 충분한 해상도로 구분할 수 있는가? 이를 통해 정밀한 질량 및 단면적 측정이 가능한가?
• RQ5 고강도 빔 조건 하에서 트리거, DAQ 및 슬로우 콘트롤 시스템의 성능과 안정성은 어떠한가?

주요 결과

• SeaQuest 분광계는 J/ψ 피크에서 측정된 질량 해상도가 0.21 GeV/c²로, 몬테카를로 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보였다.
• 딤투론 질량 스펙트럼은 J/ψ 및 ψ′ 공명을 명확히 구분하여 분광계의 정밀 스펙트로스코피 능력을 확인했다.
• 트리거 시스템은 FPGA 기반의 로드 기반 논리로 고효율, 저배경의 고질량 반대 전하 딤투론 쌍을 성공적으로 식별했다.
• 이벤트, 스케일러, 빔 및 슬로우 콘트롤을 포함한 데이터 수집 시스템은 실시간 모니터링과 이상 징후 자동 경고 기능을 통해 신뢰성 있게 작동했다.
• 분광계는 2012년부터 운영되어 $\bar{d}/\bar{u}$ 비율 측정을 위한 고품질 데이터를 수집해왔다.
• 분광계의 견고한 설계와 인프라는 향후 측정, 예를 들어 파라사이트 어둠픈 포톤 탐색 및 계획된 편광 빔/타겟 실험을 가능하게 했다.