[论文解读] A Plan for Electron Ion Collider in China

Xurong Chen|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 4

一句话总结

本文提出在中国建设电子-离子对撞机（EicC）这一两阶段设施，旨在以高亮度和极化束流研究核子结构。该设施旨在精确测量海夸克分布、横动量分布和广义部分子分布，并探测具有隐藏底夸克和粲夸克的奇特强子，为美国和欧洲的EIC计划提供互补性洞察，尤其在中等能量下对价夸克与海夸克动力学具有独特敏感性。

ABSTRACT

One of the frontier research areas common to both nuclear and particle physics is the study of hadron structure and the strong interaction. In this contribution we will discuss a plan for a polarized electron-ion collider in China (EicC) and its physics goals.

研究动机与目标

• 在中国建立一台高亮度、极化电子-离子对撞机，以研究核子内部结构。
• 以前所未有的精度测量海夸克分布（1D、TMD、GPD）。
• 研究具有隐藏底夸克和粲夸克的奇特强子态，包括五价夸克态与底夸克偶素产生。
• 通过阈值测量探测非微扰胶子贡献及质子质量机制。
• 通过精确测试轻子味违反与弱混合角，开展寻找标准模型之外新物理的探索。

提出的方法

• 将EicC设计为两个阶段：EicC-I（3–5 GeV e⁻，12–30 GeV p⁺）和EicC-II（5–10 GeV e⁻，60–100 GeV p⁺），两者均具备极化束流。
• 以重离子高强度加速器设施（HIAF）作为加速器建设的基础设施基础。
• 实现高亮度运行（EicC-II中最高达1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹），以探测稀有过程。
• 采用极化电子与离子束流，以探测自旋依赖的部分子分布与TMD。
• 对如 ep → eN*⁺_{b¯b} → eΥ 等独家过程，开展TMD Collins函数不对称性与截面的模拟。
• 利用高质心系能量（EicC-II中最高达63 GeV），探测大-W电荷产生J/ψ与Υ。

实验结果

研究问题

• RQ1 海夸克在核子中的精确1D、TMD与GPD分布是什么？它们与价夸克有何不同？
• RQ2 EicC-I设施能否分辨出如隐藏底夸克五价夸克态等奇特强子的量子数？
• RQ3 胶子贡献与迹异常如何影响质子质量？是否可通过接近阈值的Υ产生实现测量？
• RQ4 非微扰胶子在强子化与质子自旋结构中扮演何种角色？
• RQ5 EicC-II能否通过精确测量带电轻子味违反或弱混合角，探测标准模型之外的偏差？

主要发现

• EicC-I为研究海夸克与价夸克提供了清晰的运动学窗口，质心系能量√S ≈ 16 GeV，亮度达4×10³³ cm⁻²s⁻¹。
• 模拟显示，EicC-I在一年运行中，可在x、z、P_T与Q²范围内实现TMD Collins函数不对称性的极低不确定性（误差棒极小）。
• EicC-I非常适合研究具有隐藏底夸克的奇特强子，预测在√S > 16 GeV时，ep → eN*⁺_{b¯b} → eΥ的总截面约为10 pb。
• EicC-I可实现接近阈值的Υ产生高精度测量，由于底夸克质量较大，可显著降低理论不确定性。
• EicC-II将拓展运动学覆盖范围，通过J/ψ与Υ的电荷产生探测大W区域的胶子GPD，亮度最高可达1×10³⁵ cm⁻²s⁻¹。
• EicC计划与JLab 12 GeV及美国/欧洲EIC计划形成互补，聚焦于其他设施覆盖有限的中间-x与中间-Q²区域。