[论文解读] Technical Design Report of the Spin Physics Detector at NICA

The SPD Collaboration, V. Abazov+415 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

这篇论文介绍了在 NICA 的 Spin Physics Detector 的技术设计报告，详细说明探测器概念、子系统、电子学、DAQ、软件和集成方面。

ABSTRACT

The Spin Physics Detector collaboration proposes to install a universal detector in the second interaction point of the NICA collider under construction (JINR, Dubna) to study the spin structure of the proton and deuteron and other spin-related phenomena using a unique possibility to operate with polarized proton and deuteron beams at a collision energy up to 27 GeV and a luminosity up to $10^{32}$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$. As the main goal, the experiment aims to provide access to the gluon TMD PDFs in the proton and deuteron, as well as the gluon transversity distribution and tensor PDFs in the deuteron, via the measurement of specific single and double spin asymmetries using different complementary probes such as charmonia, open charm, and prompt photon production processes. Other polarized and unpolarized physics is possible, especially at the first stage of NICA operation with reduced luminosity and collision energy of the proton and ion beams. This document is dedicated exclusively to technical issues of the SPD setup construction.

研究动机与目标

• 激励在 NICA 的自旋物理研究以及 gluon 内容，通过详细描述一个专用的 SPD 探测器设计。
• 定义用于自旋物理测量的探测器概念及性能目标。
• 描述实现 SPD 所需的子系统、集成与基础设施。
• 概述 SPD 操作所需的软件、电子学、数据采集和控制系统。
• 为 SPD 项目中的成本估算与项目规划提供基础。

提出的方法

• 展示整体探测器概念与 SPD 实验计划。
• 详述子系统及其作用（如磁体、ECAL、TOF、FARICH、跟踪与束线计数器）。
• 总结读出电子学、前端 ASIC、时间精度目标与数据采集架构。
• 描述在 SPD 中使用的软件框架与离线处理方法（如 SPDROOT、Geant4 的模拟）。
• 概述 SPD 的集成、辐射安全、冷却以及机械/装配方面的考量。

实验结果

研究问题

• RQ1 SPD 自旋物理测量在 NICA 的接受度、分辨率及速率能力需要怎样的探测器概念与子系统配置？
• RQ2 SPD 读出、在线/离线软件与控制系统将如何支持可靠的数据采集与自旋观测量分析？
• RQ3 影响 SPD 磁体、量热计、计时系统和跟踪探测器设计的关键设计选择与参考文献有哪些？
• RQ4 在将 SPD 作为 NICA 计划的一部分交付时，预期的成本、时间表及风险领域有哪些？

主要发现

• 提出一个面向 SPD 的综合探测器概念与子系统架构，涵盖磁体、ECAL、TOF、FARICH、吸管式跟踪器和束计数器。
• 提供了电子学、读出和数据处理的参考框架，包括前端 ASICs 和与 SPD 需求相关的定时解决方案。
• 概述了软件与离线框架（例如 SPDROOT、Geant4 基于的仿真）以支持仿真、重建和分析工作流。
• 通过对辐射、冷却、装配与集成考量的讨论，为项目规划提供基础。
• 报告将 SPD 设计置于更广泛的 NICA 计划中，并与先前的概念设计及相关探测器技术相联系。