[论文解读] Electron Ion Collider: The Next QCD Frontier - Understanding the glue that binds us all

Alberto Accardi, Javier L. Albacete+76 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 163被引用 173

一句话总结

本白皮书提出将电子-离子对撞机（EIC）作为量子色动力学（QCD）研究的下一个重大前沿，实现对胶子主导物质及核子三维结构的精确研究。通过电子与极化质子及重离子对撞，EIC将绘制部分子分布，探测胶子饱和效应，并以前所未有的分辨率成像夸克-胶子动力学，从而推进我们对亚原子层次物质结合力的理解。

ABSTRACT

This White Paper presents the science case of an Electron-Ion Collider (EIC), focused on the structure and interactions of gluon-dominated matter, with the intent to articulate it to the broader nuclear science community. It was commissioned by the managements of Brookhaven National Laboratory (BNL) and Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) with the objective of presenting a summary of scientific opportunities and goals of the EIC as a follow-up to the 2007 NSAC Long Range plan. This document is a culmination of a community-wide effort in nuclear science following a series of workshops on EIC physics and, in particular, the focused ten-week program on "Gluons and quark sea at high energies" at the Institute for Nuclear Theory in Fall 2010. It contains a brief description of a few golden physics measurements along with accelerator and detector concepts required to achieve them, and it benefited from inputs from the users' communities of BNL and JLab. This White Paper offers the promise to propel the QCD science program in the U.S., established with the CEBAF accelerator at JLab and the RHIC collider at BNL, to the next QCD frontier.

研究动机与目标

• 确立电子-离子对撞机（EIC）作为探索胶子主导区QCD的下一个主要设施。
• 解决关于核子自旋结构及其中部分子三维分布的基本问题。
• 研究原子核中高胶子密度效应，包括胶子饱和与非线性QCD演化。
• 在亮度前沿实现电弱耦合与味违反的精确测量。
• 基于社区意见、实验数据与自2007年NSAC长期规划以来的理论进展，提供EIC的全面科学依据。

提出的方法

• 利用高亮度、极化的电子束与中心系能量为20至100 GeV的极化质子和重离子束对撞。
• 采用对撞机设计，配备20 Tm分析磁铁后的15 m漂移区，实现电子与离子束线并行，间距超过1 m，便于探测器布置。
• 通过冷却与二次聚焦优化束流光学，实现亚毫弧度角分辨率与小于10−4的动量分辨率，这对高精度t测量至关重要。
• 采用半包容深度非弹性散射（SIDIS）与弹性过程，探测与横动量相关的部分子分布（TMDs）及胶子TMDs。
• 使用经典胶场模型与非线性演化方程（如Balitsky-Kovchegov方程）描述原子核中高密度胶色物质。
• 设计具备全角度与动量接受度的探测器，包括大孔径磁铁与可分辨低t与高动量转移粒子的追踪系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 胶子如何贡献于核子的自旋与三维结构？
• RQ2 在高胶子密度下，原子核中部分子分布的性质如何？胶子饱和效应如何出现？
• RQ3 EIC能否以三维分辨率成像核子与原子核内部夸克与胶子的空间与动量分布？
• RQ4 高能QCD动力学对p+A与A+A碰撞的影响是什么，包括初始态效应与能量损失？
• RQ5 通过EIC的精确电弱测量，能否探测标准模型之外的新物理？

主要发现

• EIC将实现优于10−4的动量分辨率与0.2 mrad的角分辨率，实现高精度四维动量转移测量，这对三维部分子成像至关重要。
• 对撞机设计支持粒子在2–3 mrad至接近99.5%束流动量刚性范围内的全接受度，确保对低t与高p区域的全面覆盖。
• 通过半包容深度非弹性散射，EIC将绘制与横动量相关的部分子分布（TMDs），包括胶子TMDs，从而揭示核子的三维结构。
• EIC将探测原子核中的饱和尺度Qs，理论模型表明，胶子饱和效应在高能与大原子质量数下将占主导地位。
• EIC将实现对弱中性流耦合与带电轻子味违反的精确测量，对标准模型之外的新物理保持敏感。
• EIC设计通过50 mrad对撞角实现质子与中子的清晰分离，从而实现高效探测并降低相互作用区的束流本底。