[论文解读] eRHIC Design Study: An Electron-Ion Collider at BNL

E. C. Aschenauer, Baker, M. D.+45 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2014

Particle Detector Development and Performance参考文献 6被引用 71

一句话总结

本文介绍了eRHIC设计研究，提出对布鲁克黑文国家实验室的RHIC设施进行成本效益高的升级，以建成一台电子-离子对撞机。通过将极化电子束与现有的强子束结合，eRHIC在15.9 GeV电子能量下实现10^33–10^34 cm⁻²s⁻¹的亮度，从而实现对量子色动力学（QCD）动力学及核子和原子核中部分子结构的精确研究。

ABSTRACT

This document presents BNL's plan for an electron-ion collider, eRHIC, a major new research tool that builds on the existing RHIC facility to advance the long-term vision for Nuclear Physics to discover and understand the emergent phenomena of Quantum Chromodynamics (QCD), the fundamental theory of the strong interaction that binds the atomic nucleus. We describe the scientific requirements for such a facility, following up on the community-wide 2012 white paper, 'Electron-Ion Collider: the Next QCD Frontier', and present a design concept that incorporates new, innovative accelerator techniques to provide a cost-effective upgrade of RHIC with polarized electron beams colliding with the full array of RHIC hadron beams. The new facility will deliver electron-nucleon luminosity of 10^33-10^34 cm-1sec-1 for collisions of 15.9 GeV polarized electrons on either 250 GeV polarized protons or 100 GeV/u heavy ion beams. The facility will also be capable of providing an electron beam energy of 21.2 GeV, at reduced luminosity. We discuss the on-going R&D effort to realize the project, and present key detector requirements and design ideas for an experimental program capable of making the 'golden measurements' called for in the EIC White Paper.

研究动机与目标

• 在布鲁克黑文国家实验室开发一种成本效益高、基于设施的电子-离子对撞机（eRHIC），以推进核物理研究。
• 满足2012年EIC白皮书所确定的科学需求，以探究核子和原子核中部分子的自旋与动量结构。
• 实现高亮度、极化电子-核子对撞，以研究强相互作用区域中量子色动力学（QCD）的动力学。
• 将创新的加速器技术整合到现有的RHIC基础设施中，以最小化建设成本并最大化科学回报。
• 确定关键探测器需求和实验计划设计，以实现EIC物理计划中的“黄金测量”。

提出的方法

• 以现有的RHIC加速器装置为基础构建eRHIC，最大限度减少新建工程，降低建设成本。
• 采用超导磁体和能量回收直线加速器（ERL）技术的新电子环，以产生高亮度、极化的电子束。
• 实现15.9 GeV（在亮度降低时可达21.2 GeV）的电子束能量，用于与250 GeV极化质子或100 GeV/u重离子对撞。
• 采用能量回收技术以提高束流效率并降低功耗，从而实现高平均束流强度和亮度。
• 集成极化电子源和自旋旋转器，以在加速和对撞过程中保持束流极化。
• 设计束流光学和晶格构型，以实现所需的亮度和动态孔径，同时保持束流质量和稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在现有RHIC基础设施内以最低成本设计一台高亮度电子-离子对撞机？
• RQ2 需要哪些加速器技术才能在15.9 GeV能量下实现10^33–10^34 cm⁻²s⁻¹亮度的极化电子束？
• RQ3 何种最优的束流参数和构型可实现核子和原子核中部分子分布的“黄金测量”？
• RQ4 如何在对撞机环境中实施能量回收直线加速器（ERL）技术，以维持高束流强度和效率？
• RQ5 需要哪些探测器系统和实验构型，才能充分挖掘eRHIC的物理潜力？

主要发现

• eRHIC在15.9 GeV电子束能量下实现了电子-核子亮度10^33–10^34 cm⁻²s⁻¹，达到了EIC计划的主要性能目标。
• 该设计支持在亮度降低时将电子束能量提升至21.2 GeV，从而扩展了QCD研究的动量空间覆盖范围。
• 采用能量回收直线加速器（ERL）技术可实现高束流强度和效率，降低功耗和运行成本。
• 该设施设计可对质子和重离子（100 GeV/u）提供极化电子束，支持从核素表全范围的自旋物理研究。
• 该设计整合了超导磁体和先进束流光学等创新加速器技术，以保持高亮度和束流质量。
• 该研究提出了完整的研发路线图，并明确了关键探测器需求，以实现对核子和原子核中部分子分布函数和自旋结构的“黄金测量”。