[论文解读] Letter of Intent: the NA60+ experiment

C. Ahdida, G. Alocco+60 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2022

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 171被引用 6

一句话总结

NA60+ 在 CERN SPS 提出一项固定靶实验，通过双μ子和重味探针研究高重子化学势（μB）下的夸克-胶子等离子体（QGP）。该实验采用带有环形磁铁的μ子谱仪和基于硅 MAPS 的顶点谱仪，测量从 20 至 158 A GeV 的束流能量扫描下的热双轻子、开放底夸克、底夸克介子和超核，目标是每秒探测 10⁶ 个入射离子，以探测临界点附近的 QCD 相图。

ABSTRACT

We propose a new fixed-target experiment for the study of electromagnetic and hard probes of the Quark-Gluon Plasma (QGP) in heavy-ion collisions at the CERN SPS. The experiment aims at performing measurements of the dimuon spectrum from threshold up to the charmonium region, and of hadronic decays of charm and strange hadrons. It is based on a muon spectrometer, which includes a toroidal magnet and six planes of tracking detectors, coupled to a vertex spectrometer, equipped with Si MAPS immersed in a dipole field. High luminosity is an essential requirement for the experiment, with the goal of taking data with 10$^6$ incident ions/s, at collision energies ranging from $\sqrt{s_{ m NN}} = 6.3$ GeV ($E_{ m lab}= 20$ A GeV) to top SPS energy ($\sqrt{s_{ m NN}} = 17.3$ GeV, $E_{ m lab}= 158$ A GeV). This document presents the physics motivation, the foreseen experimental set-up including integration and radioprotection studies, the current detector choices together with the status of the corresponding R&D, and the outcome of physics performance studies. A preliminary cost evaluation is also carried out.

研究动机与目标

• 通过在 CERN SPS 的 Pb–Pb 碰撞中测量电磁探针和硬探针，探测高重子化学势（μB）下的 QCD 相图。
• 通过热双轻子谱和手征对称性混合，研究接近手征对称性相变和临界点的夸克-胶子等离子体（QGP）性质。
• 通过开放底夸克产生和底夸克介子抑制，测量 QGP 的输运性质。
• 首次在该能量范围内探测奇异数和超核的产生，为 QGP 化学性质和超子-核子相互作用提供洞见。
• 在 √sNN = 6.3 GeV 至 17.3 GeV 的束流能量扫描范围内实现高亮度（每秒 10⁶ 个离子），以绘制 QGP 形成与相变过程。

提出的方法

• 实验使用带有常温环形磁铁的μ子谱仪，包含六个追踪站（上游两个、中段两个、下游两个，位于石墨吸收体之后），用于探测来自双μ子衰变的μ子。
• 基于双极磁场中硅 MAPS 传感器的顶点谱仪可实现对短寿命粒子（如底夸克强子和奇异强子）的精确顶点重建。
• 探测器系统设计用于高流强运行，束流能量从 20 至 158 A GeV/nucleon 扫描，以探索不同 μB 下的 QCD 相图。
• 追踪系统基于多丝正比室（MWPCs）或三层箔片 GEM，两种技术的原型测试正在进行中。
• 辐射防护与屏蔽设计采用 FLUKA 模拟和 1:5 比例的完整磁铁原型，以确保安全与性能。
• 物理性能研究使用快速模拟、GEANT4 和 FLUKA，以验证重建效率、质量分辨率和探测器响应在整个能量范围内的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接近 QCD 相变的双μ子谱中，观察到的 ρ–a₁ 混合如何体现手征对称性恢复？
• RQ2 在高 μB 下，强相互作用物质的热容曲线是怎样的？其行为如何反映相变的本质？
• RQ3 热双轻子的椭圆流如何随束流能量变化？它揭示了 QGP 的集体行为的哪些信息？
• RQ4 通过开放底夸克产生及其能量依赖性，QGP 的输运性质如何体现？
• RQ5 底夸克介子抑制（J/ψ、ψ(2S)、χc）如何随束流能量演化？它揭示了禁闭解除和介质效应的哪些信息？

主要发现

• NA60+ 实验设计在 20 至 158 A GeV/nucleon 的束流能量扫描范围内实现每秒 10⁶ 个入射离子的亮度，可实现对 QGP 探针的高精度测量。
• 基于双极磁场中硅 MAPS 的顶点谱仪预计可实现适合重建短寿命粒子（如底夸克强子）的空间分辨率。
• μ子谱仪的追踪系统（采用 MWPCs 或 GEMs）预计可实现足够的动量分辨率，以在双μ子谱中分辨 J/ψ 和 ψ(2S) 峰。
• 1:5 比例的环形磁铁原型已验证机械与电磁设计，确认可控制电感、电阻和磁场分布。
• 辐射防护研究显示，采用铁和混凝土的屏蔽布局可将瞬时和残余剂量率降低至 CERN 安全限值以内。
• 全实验的初步成本估算在 10 至 13 MCHF 之间，各子系统成本为：顶点谱仪 2.5–3.1 MCHF，μ子谱仪 2.7–4.0 MCHF，环形磁铁 3.8 MCHF，屏蔽与辐射监测 1.5 MCHF。