[论文解读] Quarkonium-photoproduction prospects at a fixed-target experiment at the LHC (AFTER@LHC)

L. Massacrier, Jean-Philippe Lansberg+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出利用 AFTER@LHC 固定靶实验研究 $p$H$^\uparrow$ 和 PbH$^\uparrow$ 碰撞中的单个 $J/\psi$ 产生过程，借助极化氢靶探测对螺旋度翻转广义部分子分布 $E_g$ 敏感的单自旋-横动量不对称性（STSA）。预计每年可产生约 200,000 个 $J/\psi$ 事件，该研究展示了对 $A_N$ 的统计精度优于 10%，为胶子的非零 $E_g$ 提供了首个潜在测量结果。

ABSTRACT

We report on the potentialities offered by a fixed-target experiment at the LHC using the proton and ion LHC beams (AFTER@LHC project) regarding the study of J/psi exclusive-photoproduction in pA and AA collisions. The foreseen usage of polarised targets (hydrogen, deuteron, helium) gives access to measurements of the Single-Transverse-Spin Asymmetries of this exclusive process, therefore allowing one to access the helicity-flip Generalised Parton Distribution (GPD) Eg. We detail the expected yields of photoproduced J/psi in proton-hydrogen and lead-hydrogen collisions and discuss the statistical uncertainties on the asymmetry measurement for one year of data taking at the LHC.

研究动机与目标

• 利用 LHC 的高能固定靶模式研究核子和原子核在高动量分数 $x$ 下的三维结构。
• 测量单个 $J/\psi$ 光致产生中的单自旋-横动量不对称性（STSA），以探测编码胶子总角动量信息的难以捉摸的胶子广义部分子分布 $E_g$。
• 评估在 AFTER@LHC 使用极化氢和氘核靶测量 $A_N$ 的高统计精度可行性。
• 通过 $pA$ 和 $AA$ 碰撞中的夸克-胶子物质（QGP）产生，提供一种新的探针，补充现有对撞机数据。

提出的方法

• 使用 STARLIGHT 蒙特卡洛生成器模拟 AFTER@LHC 能量下 $p$H$^\uparrow$ 和 PbH$^\uparrow$ 碰撞中 $J/\psi$ 的光致产生截面。
• 应用运动学截断条件（$2 < \eta_{\rm lab}^\mu < 5$，$p_{\rm T}^\mu > 0.4$ GeV/c），以定义类似 LHCb 探测器接受度的条件，实现对实际产额的合理估算。
• 基于预期的 100 nb$^{-1}$ 每年亮度和储存腔靶技术，估算每年的 $J/\psi$ 产额。
• 使用公式 $u_{A_N} = \frac{2}{P(N^\uparrow + N^\downarrow)^2} \sqrt{N^{\downarrow 2} u^{\uparrow 2} + N^{\uparrow 2} u^{\downarrow 2}}$ 计算单自旋-横动量不对称性 $A_N$ 的统计不确定性，其中 $P$ 为靶极化度。
• 对费曼-$x$（$x_{\rm F}$）进行微分 $A_N$ 测量，以研究 $E_g$ 的 $x$-依赖性。
• 利用 $p$H$^\uparrow$ 和 PbH$^\uparrow$ 碰撞体系，分别探测轻核与重核靶，实现不同核环境中 $E_g$ 的比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 AFTER@LHC 实验是否能够获得足够的 $J/\psi$ 光致产生产额，以实现使用极化靶的高精度 STSA 测量？
• RQ2 在 AFTER@LHC 经过一年数据采集后，$p$H$^\uparrow$ 碰撞中单个 $J/\psi$ 光致产生的单自旋-横动量不对称性 $A_N$ 的预期统计不确定性是多少？
• RQ3 $J/\psi$ 光致产生的 $A_N$ 不对称性是否能提供对胶子广义部分子分布 $E_g$ 敏感的可测量信号？
• RQ4 在 AFTER@LHC 能量下，$p$H$^\uparrow$ 和 PbH$^\uparrow$ 碰撞中 $J/\psi$ 产额和 $A_N$ 敏感性有何差异？
• RQ5 是否可以在 $x_{\rm F}$ 上对 $A_N$ 不对称性进行微分测量，以提取 $E_g$ 的 $x$-依赖性？

主要发现

• 在 AFTER@LHC 条件下，假设亮度为 100 nb$^{-1}$ 且接受度类似 LHCb，预计每年在 $p$H$^\uparrow$ 碰撞中可产生约 200,000 个单个 $J/\psi$ 光致产生事件。
• 在一年数据采集后，$p$H$^\uparrow$ 碰撞中单自旋-横动量不对称性 $A_N$ 的统计不确定性预计优于 10%。
• 若测得非零 $A_N$，将为目前约束较弱的胶子广义部分子分布 $E_g$ 提供首个直接实验证据。
• $A_N$ 不对称性可在 $x_{\rm F}$ 上进行微分测量，从而实现对核子中胶子分布的详细断层扫描研究。
• 在 PbH$^\uparrow$ 碰撞中，相同接受度下预计每年可产生约 1,000 个 $J/\psi$ 事件，为核 GPD 研究提供互补通道。
• 本研究确立了 AFTER@LHC 在利用极化靶进行 $J/\psi$ 光致产生研究方面，具有独特优势，可探测胶子的自旋与动量结构。