[论文解读] Physics Beyond Colliders QCD Working Group Report

A. Dainese, Markus Diehl+21 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 84被引用 11

一句话总结

本报告概述了在CERN及其他设施开展的一系列拟议固定靶实验，旨在推动大型强子对撞机（LHC）之外的量子色动力学（QCD）研究。报告详细介绍了COMPASS++、LHC-FT（采用气态与晶体靶）、MUonE以及NA61++等实验提案，旨在利用SPS和LHC的升级探测器与束流线，通过高精度测量，深入研究质子结构、部分子分布、强子谱学以及μ子的反常磁矩。

ABSTRACT

This report summarises the main findings of the QCD Working Group in the CERN Physics Beyond Colliders Study.

研究动机与目标

• 探索强子束缚、部分子动力学以及QCD相图等基本QCD现象，这些现象超出了对撞机实验的探测范围。
• 提高对质子与核子结构的精确测量，包括电磁形式因子、部分子分布函数（PDFs）以及自旋依赖型分布。
• 利用高强度μ子与电子束，精确测量稀有过程，如μ子的反常磁矩与质子电荷半径。
• 在固定靶构型下，研究强子谱学、奇异介子与π介子极化率以及重离子动力学。
• 通过专门的实验计划，为中微子振荡、宇宙射线簇射及对撞机物理提供未来高精度的QCD输入。

提出的方法

• 利用SPS M2束流线的升级探测器（COMPASS++）开展弹性散射、Drell-Yan与Primakov过程的高统计量测量。
• 在LHCb实验中采用弯曲晶体技术，通过磁矩中短寿命重子（如Λc）的自旋进动测量其磁偶极矩。
• 在SPS部署高亮度μ子束流，开展电子-μ子散射（MUonE）实验，以高精度确定μ子g-2中强子真空极化贡献。
• 在高多重性环境中，结合升级的TPC、顶点探测器（如MAPS）与量能器，实现先进的粒子识别与轨迹重建。
• 通过模拟与伪数据研究，预测实验灵敏度，并优化束流能量、强度与探测器构型。
• 将理论模型（如有效场论、SMES模型）与预期数据相结合，提取PDFs、散射振幅与谱函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 π介子与K介子的精确部分子分布函数是什么？它们如何约束夸克-反夸克海结构？
• RQ2 在COMPASS++中，能否通过μ子-质子弹性散射以亚费米级精度（<0.01 fm）测量质子电荷半径？
• RQ3 LHCb中基于弯曲晶体的μ子束流线对Λc重子磁偶极矩的测量灵敏度如何？
• RQ4 MUonE实验能以多高精度确定μ子反常磁矩的强子真空极化贡献？
• RQ5 在NA61++与LHC-FT实验中，J/ψ、Drell-Yan与开放粲夸克对产生的预期产额与动量覆盖范围如何？

主要发现

• COMPASS++的模拟结果显示，通过μ子-质子弹性散射，质子电荷半径的测量目标灵敏度可达~0.01 fm，形式因子比值GE/GM的精度可达到~1%。
• 采用气态靶（如SMOG2）的LHC-FT实验预计在180 GeV束流动量下，100天内可产生约10^5个反质子事例，从而实现对部分子分布的高精度研究。
• MUonE预计可实现对μ子g-2中强子真空极化贡献的0.1%精度，显著优于现有约束。
• NA61++预计可在√sNN = 8.6 GeV下，以约10%的统计不确定性测量Pb-Pb碰撞中粲夸克对产生率的能量依赖性。
• COMPASS++计划通过Primakov效应实现对K介子极化率的5σ观测，对截面比值RK的灵敏度可达~10^-4。
• LHCSpin模拟表明，利用LHCb-FT中的极化气态靶，Drell-Yan过程中Sivers不对称性的测量精度有望提升约20%。