[论文解读] The Large Hadron Electron Collider Project

M. Klein|ArXiv.org|Aug 20, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 5

一句话总结

大型强子电子对撞机（LHeC）提议在欧洲核子研究中心（CERN）建设一台高亮度 $ep$ 和 $eA$ 对撞机，利用现有的LHC质子束以及新的电子环或直线加速器，实现高达 $5 \times 10^{33}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ 的亮度，从而实现对部分子动力学、量子色动力学饱和效应以及特拉尺度新物理的精确研究。该项目可行性高，仅需极少研发投入，可借鉴HERA和TESLA的经验。

ABSTRACT

A Conceptual Design Report (CDR) for the Large Hadron Electron Collider, the LHeC, is being prepared, to which an introduction was given for the plenary panel discussion on the future of deep inelastic scattering held at DIS09. This is briefly summarised here. The CDR will comprise designs of the ep/eA collider, based on ring and linear electron accelerators, of the interaction region, designed for simultaneous $ep$ and $pp$ operation, of a new, modular detector, and it will present basics on the physics motivation for a high luminous Tera scale electron-nucleon collider as a complement to the LHC.

研究动机与目标

• 设计一台高亮度电子-质子和电子-离子对撞机（LHeC），以探索特拉尺度并研究夸克与胶子的内部结构。
• 解决量子色动力学（QCD）中的基本问题，包括部分子饱和、低 $x$ 区域胶子密度上升以及部分子发射的动力学行为。
• 通过极化 $e^\pm$ 束流，补充LHC的物理计划，实现对部分子分布及新粒子量子数的精确测量。
• 开发一种新型模块化探测器，具备亚毫米级分辨率和高抗辐射能力，可同时应对极端前向和后向粒子的探测。
• 确保与LHC的重离子及氘核束流运行兼容，保持未来升级和多用途物理研究的灵活性。

提出的方法

• 利用现有的LHC质子和离子束，电子束由新型同步加速器环或超导电子直线加速器提供。
• 设计新的相互作用区，实现 $pp$ 和 $ep$ 碰撞同时进行，束流交叉角小于2 mrad，并采用蟹腔补偿技术以维持高亮度。
• 采用创新的探测器布局，包括靠近束流管道的内层像素探测器和GOSSIP型跟踪器，结合Calice型前向与后向电磁量能器以实现高颗粒度。
• 采用模块化探测器设计，可移除中心部件以容纳位于相互作用区附近的聚焦磁铁。
• 通过详细模拟同步辐射和束流背景，约束束流管道尺寸和探测器几何结构，结果反馈至最终内区设计。
• 借鉴HERA、LEP、H1、ZEUS及ILC探测器设计的经验，指导LHeC探测器与加速器系统的开发。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在LHC基础设施上，仅需极少额外研发，构建一台特拉尺度 $ep$ 对撞机？
• RQ2 在实现 $10^{33}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ 亮度的 $ep$ 和 $eA$ 碰撞中，环-环与直线加速器-环两种配置的最优方案分别是什么？
• RQ3 探测器如何在前向方向高精度分辨密集的强子末态及后向电子？
• RQ4 LHeC在小于 $7 \times 10^{-20}$ m 的距离尺度上，能多大程度上探测夸克与胶子的内部结构？
• RQ5 LHeC中极化 $e^\pm$ 束流如何帮助区分LHC发现的新物理态的量子数与谱学特性？

主要发现

• LHeC可实现 $5 \times 10^{33}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ 的亮度，采用50 GeV电子环，较HERA提升100倍。
• 所提出的探测器设计可实现比H1探测器高两倍的对准与校准精度，内层采用GOSSIP型硅像素追踪器，材料预算更低。
• 同步辐射与束流背景模拟约束了束流管道直径与探测器布局，结果已反馈至最终内区设计。
• 直线加速器方案支持最高达150 GeV的电子能量，采用类似XFEL在DESY所用的TESLA型腔体，梯度约为25 MV/m。
• LHeC在极少研发投入下即可实现，技术源自HERA、LEP及ILC，未发现重大技术障碍。
• 该项目支持全面的物理研究计划，包括直接展开价夸克、海夸克与胶子分布，并将核结构知识拓展四个数量级。