[论文解读] Proposal for taking data with the KLOE-2 detector at the DA$Φ$NE collider upgraded in energy

D. Babusci, C. Bini+120 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2010

Computational Physics and Python Applications参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出将DAΦNE对撞机的能量升级至质心系能量2.5 GeV，以利用KLOE-2探测器实现高精度的强子截面测量。在约10³² cm⁻²s⁻¹的亮度下，该升级将使1年时间内完成1–2.5 GeV区域的扫描，将强子真空极化对μ子g−2和αem(MZ²)的贡献的不确定性降低一半，这对检验标准模型和探测新物理至关重要。

ABSTRACT

This document reviews the physics program of the KLOE-2 detector at DA$Φ$NE upgraded in energy and provides a simple solution to run the collider above the $ϕ$-peak (up to 2, possibly 2.5 GeV). It is shown how a precise measurement of the multihadronic cross section in the energy region up to 2 (possibly 2.5) GeV would have a major impact on the tests of the Standard Model through a precise determination of the anomalous magnetic moment of the muon and the effective fine-structure constant at the $M_Z$ scale. With a luminosity of about $10^{32}$cm$^{-2}$s$^{-1}$, DA$Φ$NE upgraded in energy can perform a scan in the region from 1 to 2.5 GeV in one year by collecting an integrated luminosity of 20 pb$^{-1}$ (corresponding to a few days of data taking) for single point, assuming an energy step of 25 MeV. A few years of data taking in this region would provide important tests of QCD and effective theories by $γγ$ physics with open thresholds for pseudo-scalar (like the $η'$), scalar ($f_0,f'_0$, etc...) and axial-vector ($a_1$, etc...) mesons; vector-mesons spectroscopy and baryon form factors; tests of CVC and searches for exotics. In the final part of the document a technical solution for the energy upgrade of DA$Φ$NE is proposed.

研究动机与目标

• 将强子真空极化对μ子反常磁矩（aμHLO）的理论不确定性降低至3×10⁻¹⁰以下。
• 通过测量1–2.5 GeV能量区间内的强子截面，提高Z玻色子质量标度下有效精细结构常数αem(MZ²)的精度。
• 通过开放阈值探测奇异和轻强子的电磁衰变，实现高统计精度的γγ物理、矢量与标量介子谱学、重子电磁形式因子以及CVC检验研究。
• 为1–2.5 GeV区域的高精度强子测量提供一种具有竞争力的替代方案，优于B工厂的辐射反冲过程和VEPP-2000的测量能力。
• 提出一条技术上可行、成本效益高的升级路径，使DAΦNE的质心系能量达到约2 GeV，且对现有基础设施的改动最小。

提出的方法

• 提出对DAΦNE对撞机进行能量升级，将束流能量从700 MeV提升至约1.02 GeV（对应2.04 GeV质心系能量），实现最高达2.5 GeV的探测能力。
• 利用现有的KLOE-2探测器并实施计划中的硬件升级，以实现e⁺e⁻湮灭测量的高亮度与高精度。
• 实施分步能量扫描，以25 MeV为步长从1 GeV扫描至2.5 GeV，每一点收集约20 pb⁻¹的数据，耗时数天，可在约1年内完成完整扫描。
• 通过注入和升能过程中的束流准直，以及不使用wiggler以减少束流损失，维持高束流寿命和亮度。
• 更换或改造主弯曲磁铁，以增强磁场强度，实现更高束流能量，但需在最终实施前完成可行性研究。
• 采用超导反向螺线管与电磁潘诺夫斯基型四极磁铁相结合的技术方案，以管理高能下的探测器磁场。

实验结果

研究问题

• RQ1 对DAΦNE对撞机进行适度升级，是否能在成本和工程工作量最小的前提下，将能量覆盖范围扩展至2.5 GeV质心系能量？
• RQ2 在1–2.5 GeV区域内，使用KLOE-2探测器实现稳定扫描时，可达到的亮度和每日积分亮度是多少？
• RQ3 在该能量区间内，精确测量强子截面能在多大程度上降低aμHLO和αem(MZ²)的不确定性？
• RQ4 DAΦNE-2在1–2.5 GeV区域的有效亮度与B工厂的辐射反冲过程及VEPP-2000相比如何？
• RQ5 哪些技术方案可确保在更高能量下实现稳定的束流运行，并保持足够的亮度，同时不损害束流寿命或探测器性能？

主要发现

• 在1–2.5 GeV能量区间内，以峰值亮度约5×10³² cm⁻²s⁻¹运行一年的数据采集计划，可实现每日约5 pb⁻¹的亮度，支持高统计精度的完整能量扫描。
• 预计在数年内累积的积分亮度可达约5 fb⁻¹，使强子真空极化对μ子g−2贡献的不确定性降低一半。
• 该升级可使aμHLO的不确定性降低至3×10⁻¹⁰以下，满足未来费米实验室和J-PARC实验探测新物理所要求的精度目标。
• DAΦNE-2在1–2.5 GeV区域的有效亮度预计将超过B工厂辐射反冲过程，原因在于后者存在光子发射导致的损失。
• 主磁铁升级在技术上是可行的，有望实现约1.02 GeV的束流能量（对应2.04 GeV质心系能量），但最终结果仍存在±10%的不确定性，需待详细工程研究后确认。
• 升级成本预计控制在10 MEur以内，技术设计周期约1年，采购周期约1年，安装周期约6个月。