[论文解读] The LHCSpin Project

C. Aidala, Alessandro Bacchetta+29 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

LHCSpin项目提出在LHCb探测器前方安装一个极化的氢或氘气靶，以实现对核子和原子核中自旋依赖的部分子分布的高精度研究。通过采用新型可开启的储存腔室，结合Breit-Rabi极化仪和靶气体分析仪，系统实现了超过80%的极化度，且对束流寿命影响可忽略不计，从而实现高达4.7×10³² cm⁻²s⁻¹的亮度，并为通过Drell-Yan、弱玻色子及重味夸克产生测试量子色动力学（QCD）动力学开辟了新的动量区域。

ABSTRACT

LHCSpin aims at installing a polarized gas target in front of the LHCb spectrometer, bringing, for the first time, polarized physics to the LHC. The project will benefit from the experience achieved with the installation of an unpolarized gas target at LHCb during the LHC Long Shutdown 2. LHCb will then become the first experiment simultaneously running in collider and fixed-target mode with polarized targets, opening a whole new range of explorations to its exceptional spectrometer. LHCSpin will offer a unique opportunity to probe polarized quark and gluon parton distributions in nucleons and nuclei, especially at high $x$ and intermediate $Q^2$, where experimental data are still largely missing. Beside standard collinear parton distribution functions (PDFs), LHCSpin will make it possible to study multidimensional polarized parton distributions that depend also on parton transverse momentum. The study of the multidimensional partonic structure of the nucleon, particularly including polarization effects, can test our knowledge of QCD at an unprecedented level of sophistication, both in the perturbative and nonperturbative regime. At the same time, an accurate knowledge of hadron structure is necessary for precision measurements of Standard Model (SM) observables and discovery of physics beyond the SM. Due to the intricate nature of the strong interaction, it is indispensable to perform the widest possible suite of experimental measurements. It will be ideal to have two new projects complementing each other: a new facility for polarized electron-proton collisions and a new facility for polarized proton-proton collisions. LHCSpin stands out at the moment as the most promising candidate for the second type of project, going beyond the kinematic coverage and the accuracy of the existent experiments, especially on the heavy-quark sector.

研究动机与目标

• 通过引入极化固定靶物理，拓展LHCb的能力，实现首次在极化束流下同时进行对撞与固定靶运行。
• 在数据稀疏的高-x和中等-Q²区域，探究核子的多维结构，特别是横动量依赖（TMD）部分子分布函数（PDFs）。
• 通过分钟级的快速自旋态翻转和靶中无非极化材料，降低极化PDF测量中的系统不确定性。
• 提供一个独特平台，用于研究自旋-轨道关联与部分子轨道角动量，解决质子自旋之谜。
• 通过提升对强子结构的认知，支持对标准模型可观测量的精确测量以及对超出标准模型的新物理的搜索。

提出的方法

• 利用闭环原子束源（ABS）将极化的氢或氘原子注入一个导纳为13.90 l/s的储存腔室，实现中心原子密度为4.68×10¹² cm⁻³。
• 采用可开启的储存腔室设计，配备束流场抑制器（WFS）和穿孔抽气管，以最小化束流尾迹效应并维持束流寿命。
• 集成Breit-Rabi极化仪（BRP）和靶气体分析仪（TGA），持续监测超精细态布居数和分子再结合情况，实现实时极化度测量。
• 在VELO探测器上游安装紧凑型、抗辐射的硅像素跟踪器（3–5层），以在距离相互作用点1.5 m处保持高跟踪效率。
• 使用长度为15 cm、直径为1.0 cm的馈送管，将6.5×10¹⁶个原子/秒输送到储存腔室，实现300 K下极化氢的面密度为7.02×10¹³ cm⁻²。
• 通过质子束流强度（3.8×10¹⁸ p/s）和pp总截面（0.05 b）建模束流损失率，得到相对损失率为1.5×10⁻⁷ s⁻¹，最小部分束流寿命为77天。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在LHCb成功安装并运行极化气体靶，以实现在对撞机环境中的固定靶自旋物理？
• RQ2 在具有快速自旋态翻转的气体靶系统中，质子-氢碰撞的可实现亮度和极化度水平如何？
• RQ3 极化气体靶的存在对LHC质子束流寿命的影响程度如何？是否可使影响在长时间填充中可忽略？
• RQ4 能否从极化质子-氢碰撞中的Drell-Yan和重味夸克产生中精确提取横动量依赖（TMD）部分子分布函数？
• RQ5 该系统能否通过高-x和中等-Q²的运动学区域，为核子中自旋-轨道关联与部分子轨道角动量提供新的约束？

主要发现

• 所提出的系统在储存腔室中实现中心原子密度为4.68×10¹² cm⁻³，300 K下极化氢的面密度为7.02×10¹³ cm⁻²。
• 质子-氢碰撞的亮度在100 K时达到4.7×10³² cm⁻²s⁻¹，最大可能亮度为1.0×10³³ cm⁻²s⁻¹。
• 束流损失率估计为每秒5.0×10⁷个质子，对应相对损失率为1.5×10⁻⁷ s⁻¹，最小部分束流寿命为77天。
• 系统在分钟级快速自旋态翻转下保持>80%的极化度，显著降低系统不确定性。
• 对束流寿命的影响可忽略不计，因为束流损失率远低于典型填充时长，确保与长LHC填充兼容。
• 采用带WFS和诊断系统（BRP与TGA）的可开启储存腔室设计，实现了靶极化度和气体质量的稳定、实时监控与控制。