[论文解读] Future physics opportunities for high-density QCD at the LHC with heavy-ion and proton beams

Z. H. Citron, A. Dainese+183 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2018

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 6被引用 32

一句话总结

本文概述了在LHC未来利用重离子和质子束研究高密度QCD的物理机遇，提出在Run 3和Run 4期间开展高亮度Pb–Pb和p–Pb计划，进行高多重性pp研究，并安排一次短暂的氧离子运行，以探测部分子饱和化和QGP性质。研究指出，高能LHC（HE-LHC）将成为探索新动量区域的变革性平台，尤其通过电子–核和光子–光子碰撞，实现对部分子动力学及饱和化 onset 的精确检验。

ABSTRACT

The future opportunities for high-density QCD studies with ion and proton beams at the LHC are presented. Four major scientific goals are identified: the characterisation of the macroscopic long wavelength Quark-Gluon Plasma (QGP) properties with unprecedented precision, the investigation of the microscopic parton dynamics underlying QGP properties, the development of a unified picture of particle production and QCD dynamics from small (pp) to large (nucleus--nucleus) systems, the exploration of parton densities in nuclei in a broad ($x$, $Q^2$) kinematic range and the search for the possible onset of parton saturation. In order to address these scientific goals, high-luminosity Pb-Pb and p-Pb programmes are considered as priorities for Runs 3 and 4, complemented by high-multiplicity studies in pp collisions and a short run with oxygen ions. High-luminosity runs with intermediate-mass nuclei, for example Ar or Kr, are considered as an appealing case for extending the heavy-ion programme at the LHC beyond Run 4. The potential of the High-Energy LHC to probe QCD matter with newly-available observables, at twice larger center-of-mass energies than the LHC, is investigated.

研究动机与目标

• 通过高亮度Pb–Pb和p–Pb碰撞，以前所未有的精度表征夸克–胶子等离子体（QGP）的宏观性质。
• 研究QGP行为背后的微观部分子动力学，尤其在小系统和大系统中的表现。
• 统一从pp到核–核碰撞各类系统中粒子产生与QCD动力学的描述。
• 在广泛的(x, Q²)范围内探测核子中的部分子密度，并寻找部分子饱和化的 onset。
• 评估高能LHC（HE-LHC）在探测新可观测量方面的潜力，包括在√s = 14–15 TeV下的电子–核和光子–光子碰撞。

提出的方法

• 提出在Run 3和Run 4期间开展高亮度Pb–Pb和p–Pb计划，以实现对QGP性质的高精度测量。
• 倡导开展高多重性pp碰撞实验，以研究系统尺寸依赖性及部分子饱和化效应。
• 建议安排一次短暂的氧离子运行，以扩展核质量扫描范围并提升对饱和化 onset 的探测灵敏度。
• 考虑在Run 4之后的未来重离子计划中引入中等质量核素（如Ar、Kr），以探索系统性规律。
• 评估HE-LHC在电子–核碰撞中的潜力，其质心系能量可达√s ≈ 14–15 TeV，从而进入小-x动力学区域。
• 分析在HE-LHC的极端外围碰撞（UPC）中光子–光子碰撞的特性，由于洛伦兹因子显著提高（γ = 5650）及光子通量的Z⁴标度，可实现√sγγ ≈ 320 GeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC的高亮度Pb–Pb和p–Pb碰撞中，如何提升对夸克–胶子等离子体（QGP）性质测量的精度？
• RQ2 在高多重性pp和p–Pb碰撞中，部分子饱和化的信号和动量范围特征是什么？
• RQ3 HE-LHC中的电子–核碰撞如何探测小-x动力学及核子的部分子结构？
• RQ4 在标准模型之外的新物理背景下，HE-LHC中的光子–光子碰撞可揭示哪些新物理？
• RQ5 如何制定最优策略，利用中等质量核素扩展Run 4之后的重离子计划？

主要发现

• Run 3和Run 4期间的高亮度Pb–Pb和p–Pb计划被优先考虑，用于对QGP性质进行高精度表征。
• 高多重性pp碰撞对于探测从小系统到大系统过渡及部分子饱和化 onset 至关重要。
• 建议开展一次短暂的氧离子运行，以扩展核质量扫描范围并增强对饱和化 onset 的探测灵敏度。
• 如Ar或Kr等中等质量核素被识别为扩展Run 4之后重离子计划的有前途候选。
• HE-LHC可提供√s ≈ 14–15 TeV的质心系能量，使电子–核碰撞能够进入小-x区域，实现对部分子动力学的深入探测。
• 由于高洛伦兹因子（γ = 5650）和光子通量的Z⁴标度，HE-LHC中的光子–光子碰撞可达到√sγγ ≈ 320 GeV，为新物理发现开辟新的探测通道。