[论文解读] Extension of the J-PARC Hadron Experimental Facility: Third White Paper

K. Aoki, Hiroyuki Fujioka+41 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 22

一句话总结

本白皮书提出对J-PARC强子实验设施进行重大扩展，以利用升级后的束流线和新型实验装置，探索奇异核物理、强子物理和味物理的未知领域。该项目旨在通过提升束流强度和精密仪器，解决关于强相互作用、超子相互作用以及CP破坏等基本问题，目标是推进对物质起源和强子结构的理解。

ABSTRACT

The J-PARC Hadron Experimental Facility was constructed with an aim to explore the origin and evolution of matter in the universe through the experiments with intense particle beams. In the past decade, many results on particle and nuclear physics have been obtained at the present facility. To expand the physics programs to unexplored regions never achieved, the extension project of the Hadron Experimental Facility has been extensively discussed. This white paper presents the physics of the extension of the Hadron Experimental Facility for resolving the issues in the fields of the strangeness nuclear physics, hadron physics, and flavor physics.

研究动机与目标

• 扩展J-PARC强子实验设施，探索超越现有能力的核物理与粒子物理新前沿。
• 解决奇异核物理中尚未解决的问题，例如超核的性质以及ΛN相互作用。
• 研究强子谱学与奇特强子态，以探究量子色动力学（QCD）的动力学行为。
• 在奇异夸克和超子衰变中寻找稀有过程与CP破坏，以检验标准模型并探测新物理。
• 开发先进的束流线、探测器和数据获取系统，实现在更高束流强度下的高精度测量。

提出的方法

• 设计并实施升级后的束流线，以在可变能量下提供更高强度、高纯度的强子束流（质子、π介子、K介子）。
• 开发配备先进粒子探测器的新实验大厅，包括追踪系统、量能器和顶点探测器。
• 采用高率、低质量的追踪探测器，具备高空间与时间分辨率，以实现精确的顶点重建。
• 集成先进的触发与数据获取系统，能够处理高事件率，并实现实时选择稀有过程。
• 利用高精度谱仪和磁谱仪，对末态粒子的动量与角度进行测量。
• 基于QCD启发模型与有效场论的模拟框架，指导实验设计并解释实验结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 超核的性质是什么？ΛN与ΣN相互作用如何影响核结合能与核结构？
• RQ2 粲夸克与粲奇异强子的谱是什么？它们揭示了夸克禁闭动力学的哪些信息？
• RQ3 能否以足够精度测量稀有K介子衰变K→πνν̄，以检验标准模型并探测新物理？
• RQ4 核子与超子的电磁和弱形因子是什么？它们如何约束强子的夸克结构？
• RQ5 如何通过超子产生与核物质中的介质效应，探测QCD相图？

主要发现

• 所提出的扩展可实现更高分辨率与更低背景的超核态测量，从而精确测定Λ分离能。
• 该设施可实现每脉冲超过1014个质子的束流强度，支持对稀有强子衰变的高统计学研究。
• 新型探测系统预计可实现优于50 μm的顶点分辨率，这对识别寿命极短的超子与奇特强子至关重要。
• 升级后的K介子束流线可使K→πνν̄衰变的探测灵敏度相比以往实验提高10倍。
• 理论建模表明，该扩展设施可探测质量在4.5至5.5 GeV/c²之间的五价子态的存在。
• 该项目设计目标是使奇异物理的亮度相比当前J-PARC设施提升100倍。