[论文解读] Feasibility studies for quarkonium production at a fixed-target experiment using the LHC proton and lead beams (AFTER@LHC)

L. Massacrier, B. A. Trzeciak+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 54被引用 5

一句话总结

该论文评估了在AFTER@LHC中利用LHC的质子和铅束流在固定靶模式下研究底夸克偶素产生的可行性，通过模拟类似LHCb的探测器响应。结果表明，在p+H碰撞中亮度高达20 fb⁻¹ yr⁻¹时，能够实现J/ψ、ψ(2S)和Υ态的高精度测量，信号与背景比值较高，从而可对后向快度区的胶子动力学、核效应及底夸克偶素极化展开详细研究。

ABSTRACT

Used in the fixed-target mode, the multi-TeV LHC proton and lead beams allow for studies of heavy-flavour hadroproduction with unprecedented precision at backward rapidities - far negative Feyman-x - using conventional detection techniques. At the nominal LHC energies, quarkonia can be studies in detail in p+p, p+d and p+A collisions at sqrt(s_NN) ~ 115 GeV as well as in Pb+p and Pb+A collisions at sqrt(s_NN) ~ 72 GeV with luminosities roughly equivalent to that of the collider mode, i.e. up to 20 fb-1 yr-1 in p+p and p+d collisions, up to 0.6 fb-1 yr-1 in p+A collisions and up to 10 nb-1 yr-1 in Pb+A collisions. In this paper, we assess the feasibility of such studies by performing fast simulations using the performance of a LHCb-like detector.

研究动机与目标

• 评估利用LHC质子和铅束流在固定靶模式下研究底夸克偶素产生的可行性。
• 评估在后向快度区对粲偶素和底偶素态实现高统计精度测量的潜力。
• 研究AFTER@LHC对核效应（如胶子反阴影效应、EMC效应及重味强子产生中的费米运动）的敏感性。
• 探索在p+A和Pb+A碰撞中利用极化靶和类似LHCb探测器实现自旋不对称性测量及激发底夸克偶素态（如χc、χb）研究的潜力。

提出的方法

• 采用类似LHCb的探测器模型进行快速模拟，以评估粒子探测与重建效率。
• 模拟框架包含完整的探测器响应建模，包括轨迹重建、电磁量能和μ子识别。
• 利用Pythia和HELAC-Onia生成器模拟Drell-Yan、c\bar{c}和b\bar{b}对等背景源。
• 评估信号与背景对二μ子不变质量谱的贡献，以估算信号与背景比值。
• 计算核修改因子R_{p+Pb}，以探测核中胶子密度的改变。
• 通过统计精度估计评估探测器性能对测量底夸克偶素极化及形成时间效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在AFTER@LHC中，利用LHC束流在固定靶模式下，是否可在二μ子衰变道中以高信号与背景比测量到底夸克偶素态？
• RQ2 在√s_{NN} ≈ 115 GeV的p+H和72 GeV的p+Pb碰撞中，J/ψ、ψ(2S)和Υ(nS)态的预期统计精度如何？
• RQ3 AFTER@LHC在多大程度上可探测质子和核中的胶子分布以及反阴影效应和EMC效应等核效应？
• RQ4 利用极化靶和类似LHCb的探测器，是否能以足够精度提取Drell-Yan和底夸克偶素产生中的单自旋不对称性？
• RQ5 在核物质中探测激发底夸克偶素态（如χc、χb）并研究其形成时间效应是否可行？

主要发现

• 在√s_{NN} ≈ 115 GeV的p+H碰撞中，可实现高达20 fb⁻¹ yr⁻¹的积分亮度，支持高统计精度的底夸克偶素研究。
• 在二μ子衰变道中，J/ψ、ψ(2S)、Υ(1S)、Υ(2S)和Υ(3S)的信号与背景比值有利，支持精确的截面测量。
• Drell-Yan过程是接近Υ(nS)质量区域二μ子的主要来源，结合顶点标记μ子可实现可靠的截面提取。
• 核修改因子R_{p+Pb}可实现前所未有的统计精度测量，从而支持对胶子反阴影效应、EMC效应和费米运动的研究。
• ψ(2S)和Υ(2S)/Υ(3S)态具有足够的统计精度，可用于研究核物质中的形成时间效应。
• 类似LHCb的探测器性能足以在宽广快度范围（从y ≈ -2.8到0）内分辨底夸克偶素态，支持对底夸克偶素极化及产生动力学的全面研究。