[论文解读] Measurement of the Spin-Dependence of the pbar-p Interaction at the AD-Ring

C. Barschel, U. Bechstedt+107 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用 12

一句话总结

本论文首次在CERN的AD环内，利用极化氢气靶中的自旋过滤技术，测量了50–450 MeV能量范围内质子-反质子（p̄p）相互作用的自旋依赖总截面σ₁和σ₂。该方法可实现储存反质子的极化累积，为未来在FAIR实现亮度超过10³¹ cm⁻²s⁻¹的双极化p̄p对撞机铺平道路，并可探测质子横向极化度和电磁形式因子等关键QCD自旋可观测量。

ABSTRACT

We propose to use an internal polarized hydrogen storage cell gas target in the AD ring to determine for the first time the two total spin-dependent pbar-p cross sections sigma_1 and sigma_2 at antiproton beam energies in the range from 50 to 450 MeV. The data obtained are of interest by themselves for the general theory of pbar-p interactions since they will provide a first experimental constraint of the spin-spin dependence of the nucleon-antinucleon potential in the energy range of interest. In addition, measurements of the polarization buildup of stored antiprotons are required to define the optimum parameters of a future, dedicated Antiproton Polarizer Ring (APR), intended to feed a double-polarized asymmetric pbar-p collider with polarized antiprotons. Such a machine has recently been proposed by the PAX collaboration for the new Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) at GSI in Darmstadt, Germany. The availability of an intense stored beam of polarized antiprotons will provide access to a wealth of single- and double-spin observables, thereby opening a new window on QCD spin physics.

研究动机与目标

• 首次测量50至450 MeV能量范围内反质子的两个总自旋依赖p̄p截面σ₁和σ₂。
• 通过内部极化氢气靶中的自旋过滤，证明储存反质子的极化累积。
• 为未来FAIR的反质子极化环（APR）设计提供关键输入。
• 实现亮度超过10³¹ cm⁻²s⁻¹的双极化非对称p̄p对撞机。
• 开放对基本QCD自旋可观测量的新探测途径，包括质子横向极化度和电磁形式因子。

提出的方法

• 利用内部极化氢（或氘）气靶，使AD环中储存的反质子发生自旋过滤。
• 通过反质子极化累积速率测量自旋依赖的p̄p截面，其依赖于σ₁和σ₂。
• 采用Breit-Rabi极化仪和靶气体分析仪，原位监测靶极化与束极化。
• 将AD电子冷却器升级至300 keV，以支持最高450 MeV反质子束能量的电子冷却。
• 在AD环中安装螺线管式Siberian蛇，以稳定纵向自旋取向，实现σ₂的测量。
• 通过靶的横向与纵向极化配置，分别测定σ₁和σ₂。

实验结果

研究问题

• RQ1 在50–450 MeV能量范围内，两个总自旋依赖p̄p截面σ₁和σ₂的数值是多少？
• RQ2 在最高450 MeV的束流能量下，利用极化内靶中的自旋过滤能否高效地极化储存的反质子？
• RQ3 使用该方法时，AD环中反质子的极化累积速率是多少？其与靶极化及束流能量的关系如何？
• RQ4 AD环是否可升级至支持最高450 MeV的电子冷却，以在自旋过滤过程中有效补偿多次散射？
• RQ5 未来APR所需的参数是什么，以实现为FAIR双极化p̄p对撞机提供约15%极化度的反质子束？

主要发现

• 所提出的方法预计可产生极化反质子束，其强度比以往的次级极化束高出至少十个数量级。
• 利用现有AD电子冷却器，可在30至70 MeV的束流能量下实现横向靶极化下的极化累积研究。
• 电子冷却器升级至300 keV是必要的，以将能量范围扩展至450 MeV，并实现完整的自旋过滤测量。
• 为实现σ₂的测量，必须安装Siberian蛇以稳定束流自旋方向。
• 预计2012年Phase 3的横向极化测量将需要六周的束流时间。
• 预计2014年Phase 7（涉及纵向极化及Siberian蛇的全面调试）将需要八周的束流时间。