[论文解读] Future Deep Inelastic Scattering with the LHeC

M. Klein|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2018

Superconducting Materials and Applications被引用 6

一句话总结

该论文提出在欧洲核子研究中心（CERN）建设大型强子电子对撞机（LHeC），作为下一代电子-质子和电子-离子对撞机，可在高达1 ab⁻¹的亮度下实现精确的深度非弹性散射（DIS）测量——比HERA高出1,000多倍。通过结合高能电子束与大型强子对撞机（LHC）的质子和离子束，LHeC将以前所未有的精度探测部分子分布函数，特别是$F_L$和$R$，其模拟不确定度可降低至±0.02，实现了Guido Altarelli长期设定的理论目标。

ABSTRACT

For nearly a decade, Guido Altarelli accompanied the Large Hadron electron Collider project, as invited speaker, referee and member of the International Advisory Committee. This text summarises the status and prospects of the development of the LHeC, with admiration for a one-time scientist and singular leader whom I met first nearly 40 years ago under the sun shining for the "Herceg Novi School" in Kupari, where we both lectured about the beautiful science of Deep Inelastic Scattering and enjoyed life under a yellow moon.

研究动机与目标

• 在LHC上实现高亮度$ep$和$eA$对撞，拓展深度非弹性散射的运动学范围和测量精度，超越HERA。
• 解决在小Bjorken $x$区域测量纵向结构函数$F_L$和比值$R$的精度不足问题，这仍是微扰QCD的关键检验。
• 通过在不损害LHC亮度的前提下，实现$pp$和$ep$对撞的并行运行，将LHC转变为三束流、双对撞机设施。
• 探索新物理，包括奇异希格斯 boson、暗物质、重中微子以及高部分子密度下的QCD动力学。
• 通过高精度的轻子-核子散射，建立QCD基础，以理解夸克-胶子等离子体和核部分子结构。

提出的方法

• 利用60 GeV电子束在27公里长的LHC环上切向加速，实现中心系能量高达~1 TeV的$ep$和$eA$对撞。
• 设计专用$ep$探测器，增强后向覆盖能力，包括额外的硅追踪器平面和强子后向量能器，以提高分辨率并抑制本底。
• 通过与$pp$对撞并行运行，实现~1 ab⁻¹的积分亮度——比HERA高出1,000多倍。
• 在低$E_e$下实施新颖的束流能量扫描策略，以在低本底条件下获取高$y$值，利用$\sigma_r \propto y^2/Y_+$依赖关系精确提取$F_L$。
• 使用LHeC概念设计报告（CDR）中的模拟数据，对小$x$区域的$F_2$和$F_L$理论预测进行基准测试，与NNLO pQCD计算进行比较。
• 应用优化的分离程序，通过$\sigma_r$与$y^2/Y_+$关系的截距和负斜率提取$F_L$，最大限度减小系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHeC能否在小$x$区域实现$F_L$的精度测量，不确定度低于±0.02？
• RQ2 LHeC中$ep$与$pp$对撞的并行运行将如何提升对新物理的敏感度，并降低Higgs和电弱测量中的QCD不确定性？
• RQ3 LHeC在多大程度上可通过高精度的$F_L$和$R$测量，解决小$x$区域胶子密度$xg$的模糊性？
• RQ4 LHeC在轻子-核子散射中扩展的运动学范围（$Q^2$提高四个数量级）能否揭示核子中部分子和QGP的动力学？
• RQ5 LHeC在高亮度$ep$散射中，发现奇异希格斯boson、暗物质或重中微子的潜力如何？

主要发现

• LHeC模拟预测$F_L$测量的总不确定度为$\delta F_L \simeq \pm0.02$，相比HERA的±0.1至±0.2有显著提升。
• 比值$R = \sigma_L / \sigma_T$预计可精确测量为$R = 0.23 \pm 0.04$，与SLAC数据一致，且处于理论上限0.37以内。
• LHeC的亮度将超过HERA的1,000多倍，可在多个低能电子束点实现高统计测量，从而提升$F_L$提取精度。
• 后向探测器设计（包括额外的硅平面和强子量能器）将显著降低本底并提高低能散射电子的分辨率。
• LHeC将首次在小$x$区域实现$F_L$的高精度测试，解决当前胶子密度$xg$的模糊性，并为高部分子密度下微扰QCD提供决定性检验。
• LHeC的$ep$计划将使LHC转变为Higgs工厂，结合高精度$ep$数据和提升的$pp$亮度，实现稀有衰变道测量和QCD不确定性降低。