[论文解读] Physics of High-Mass Dimuon Production at the 50-GeV Proton Synchrotron

J. C. Peng, G. T. Garvey+3 more|ArXiv.org|Jul 28, 2000

Superconducting Materials and Applications被引用 4

一句话总结

该论文提出在50-GeV质子同步加速器上建设一个二价μ子谱仪，用于研究质子-质子和质子-氘核碰撞中的高能标Drell-Yan过程，实现对海夸克味不对称性、核子中反夸克分布的核子效应以及通过L²标度探测部分子能量损失的精确测量。模拟结果表明，在1×10¹²个质子的束流脉冲强度下，该装置对标度破坏和J/Ψ产生具有高灵敏度。

ABSTRACT

We discuss the physics interest and the experimental feasibility for detecting high-mass dimuon pairs using the planned 50-GeV Proton Synchrotron (PS) at the KEK/JHF and JAERI/NSP joint accelerator project. The Drell-Yan measurement of $p+d$ versus $p+p$ at 50 GeV will provide unique information on the flavor asymmetry of proton's up and down sea-quark distributions in the large-$x$ region. A study of the nuclear dependences of Drell-Yan cross sections can reveal the modification of antiquark distributions in nuclei. Furthermore, the effect of energy loss for fast partons traversing nuclear medium could also be sensitively measured. If polarized proton beam becomes available at the 50-GeV PS, unique information on the sea-quark polarization could be obtained. Study of heavy quarkonium production at the 50-GeV PS can set important constraints on the mechanism of vector meson productions. Using a prototype dimuon spectrometer, we have simulated the sensitivities for a variety of measurements.

研究动机与目标

• 通过p+d与p+p的Drell-Yan截面比值，测量大-x区域质子海夸克中上夸克与下夸克的味不对称性。
• 利用Drell-Yan截面的核依赖性，探测核子中反夸克分布的核子效应。
• 通过BDMPS和Zakharov理论预测的冷核物质中部分子能量损失的L²依赖性，检验其在实验中的表现。
• 通过比较50 GeV与800 GeV下的截面，研究Drell-Yan过程中标度破坏的可观测性。
• 在低能区研究J/Ψ和Ψ′的产生，将现有数据延伸至更低的束流能量。

提出的方法

• 使用一个包含两块磁铁（8 T·m和0.5 GeV/c动量偏转）的原型二价μ子谱仪，探测来自Drell-Yan过程的高能标二μ子对。
• 应用运动学方程，将μ子动量与张角关联至不变质量与xF，其中50-GeV束流的γf = 5.259。
• 利用快速蒙特卡罗代码模拟探测器响应，束流强度为每3秒脉冲1×10¹²个质子，数据获取效率为50%。
• 通过磁刚度与探测器几何结构优化对xF > 0及横动量达3 GeV/c的区域的接受度。
• 基于GEANT的模拟建立Drell-Yan截面模型并优化背景抑制策略，为未来实验优化提供依据。
• 采用相同的谱仪设计，研究极化质子碰撞与重离子束，以拓展物理研究范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大Bjorken-x区域，质子海夸克分布中反夸克的味不对称性如何？u与d反夸克的不对称性有何差异？
• RQ2 核子中反夸克分布与自由核子中的分布有何不同？这揭示了核介质效应的哪些信息？
• RQ3 Drell-Yan截面的核依赖性是否遵循L²标度，如BDMPS和Zakharov理论所预测的部分子能量损失？
• RQ4 在50 GeV下，Drell-Yan过程中的标度破坏是否可观测？其截面是否相比800 GeV增加约两倍？
• RQ5 50-GeV PS能否为质子诱导反应中J/Ψ与Ψ′产生机制提供新的约束？

主要发现

• 50-GeV PS实验对大x区域的d̄/ū不对称性具有足够灵敏度，其探测能力超越了RHIC自旋计划的覆盖范围。
• 预期的二价μ子产额使得在1×10¹²个质子/脉冲的条件下，60天数据即可实现对σ(pd)/2σ(pp)的统计误差估计，具有可行性。
• 在50 GeV下，二价μ子的张角约为800 GeV下的4倍，显著提升了角度分辨率与探测器接受度。
• 谱仪设计实现了约7–10 T·m的总磁刚度，其中第一块磁铁为8 T·m，对M > 5 GeV的不变质量具有良好的动量分辨率。
• 模拟结果表明，由于低束流能量下能量损失的相对份额增强，L²依赖性的能量损失效应可被高灵敏度检验。
• 研究表明，在50 GeV下，Drell-Yan过程中的标度破坏可被明确证实，预测其截面相比800 GeV将增加约两倍。