[论文解读] A Fixed-Target ExpeRiment at the LHC (AFTER@LHC) : luminosities, target polarisation and a selection of physics studies

Jean-Philippe Lansberg, V. Chambert+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 8

一句话总结

本文提出AFTER@LHC，一项利用LHC中弯曲晶体提取的7 TeV质子或2.76 TeV/核子的铅离子束进行的固定靶实验。该实验可实现前所未有的亮度（>10^32 cm⁻²s⁻¹），并覆盖完整的后向快度区域（xF ≈ -1），从而实现对夸克偶素、开放重味物理、本征光子以及极化靶下的横单自旋不对称性的高精度研究——为量子色动力学中的胶子分布与自旋依赖动力学提供新视角。

ABSTRACT

We report on a future multi-purpose fixed-target experiment with the proton or lead ion LHC beams extracted by a bent crystal. The multi-TeV LHC beams allow for the most energetic fixed-target experiments ever performed. Such an experiment, tentatively named AFTER for "A Fixed-Target ExperRiment", gives access to new domains of particle and nuclear physics complementing that of collider experiments, in particular at RHIC and at the EIC projects. The instantaneous luminosity at AFTER using typical targets surpasses that of RHIC by more than 3 orders of magnitude. Beam extraction by a bent crystal offers an ideal way to obtain a clean and very collimated high-energy beam, without decreasing the performance of the LHC. The fixed-target mode also has the advantage of allowing for spin measurements with a polarised target and for an access over the full backward rapidity domain up to xF ~ - 1. Here, we elaborate on the reachable luminosities, the target polarisation and a selection of measurements with hydrogen and deuterium targets.

研究动机与目标

• 通过利用从LHC提取的多TeV束流，实现一类新型高亮度固定靶实验。
• 实现对完整后向快度区域（xF ≈ -1）的访问，以精确测量QCD中高-xF现象。
• 通过极化靶和自旋敏感探测器（如夸克偶素和本征光子）探索质子与中子的胶子组分。
• 以高统计精度测量横单自旋不对称性（SSAs），特别是用于探测胶子的Sivers效应。
• 为RHIC的对撞实验和未来的电子-离子对撞机（EIC）提供互补的物理计划。

提出的方法

• 利用弯曲晶体提取LHC束流的一部分，实现干净、准直、高能的质子或重离子束，同时不降低LHC的性能。
• 在固定靶模式下使用7 TeV质子束或2.76 TeV/核子的铅束，实现质心系能量高达约115 GeV。
• 通过使用致密且长的靶，实现瞬时亮度超过10^32 cm⁻²s⁻¹——比RHIC高出1000倍以上。
• 通过动态核极化（DNP）技术实现极化氢和氘靶，以研究自旋依赖的部分子分布。
• 利用高精度探测器，具备优异的μ子和光子能量分辨率，以测量夸克偶素态（S波与P波）、本征光子及喷注关联。
• 在后向快度区（xF < 0）进行测量，该区域粒子密度较低，有利于清晰探测稀有过程与自旋不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用弯曲晶体提取的LHC束流进行固定靶碰撞，可实现多高的亮度？
• RQ2 如何在AFTER@LHC中实现氢和氘靶的高极化度，以支持高精度自旋物理研究？
• RQ3 AFTER@LHC在测量胶子敏感探测器（如本征光子和夸克偶素）的横单自旋不对称性方面具有多大潜力？
• RQ4 AFTER@LHC如何通过夸克偶素和Drell-Yan测量改进对质子与中子中胶子分布的约束？
• RQ5 AFTER@LHC在多大程度上可进入大负Feynman-x区域（xF ≈ -1），以研究内在重夸克分布与奇特强子态？

主要发现

• 在1 cm厚靶上，质子束的瞬时亮度超过10^32 cm⁻²s⁻¹，比RHIC高出三个多数量级。
• 每年可实现超过100 fb⁻¹的积分亮度，使统计精度远超现有固定靶实验。
• 可通过DNP技术实现极化氢和氘靶，其中HD靶在中子结构研究方面尤为有前景。
• 该实验可独特地访问完整后向快度区域（xF ≈ -1），从而研究高-xF现象，如异常自旋关联与因子化破坏。
• 借助优异的能量分辨率与粒子流重建能力，可实现S波与P波夸克偶素、本征光子及开放重味强子态的高统计测量。
• 由于高亮度和后向区域有利的运动学条件，胶子敏感探测器的横单自旋不对称性可实现高精度测量。