[论文解读] The SeaQuest Spectrometer at Fermilab

SeaQuest Collaboration, C. Aidala+96 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用 8

一句话总结

费米国家加速器实验室的SeaQuest谱仪测量120 GeV质子与液氢、液氘及固体靶碰撞产生的二μ子对，通过Drell-Yan过程研究反夸克分布。其在J/ψ峰处达到0.21 GeV/c²的质量分辨率，可精确研究海夸克的味依赖性及核子中的修改效应。

ABSTRACT

The SeaQuest spectrometer at Fermilab was designed to detect oppositely-charged pairs of muons (dimuons) produced by interactions between a 120 GeV proton beam and liquid hydrogen, liquid deuterium and solid nuclear targets. The primary physics program uses the Drell-Yan process to probe antiquark distributions in the target nucleon. The spectrometer consists of a target system, two dipole magnets and four detector stations. The upstream magnet is a closed-aperture solid iron magnet which also serves as the beam dump, while the second magnet is an open aperture magnet. Each of the detector stations consists of scintillator hodoscopes and a high-resolution tracking device. The FPGA-based trigger compares the hodoscope signals to a set of pre-programmed roads to determine if the event contains oppositely-signed, high-mass muon pairs.

研究动机与目标

• 利用Drell-Yan过程研究质子中海夸克味依赖性的目标。
• 测量核子中反下夸克与反上夸克分布之比（$\bar{d}/\bar{u}$）
• 研究质子结合在原子核中时海夸克结构的修改效应。
• 通过极化束流和靶实现未来测量，包括暗光子搜索与Sivers不对称性研究。
• 通过先进的触发、数据获取和慢控系统确保高精度数据采集。

提出的方法

• 利用120 GeV质子束流轰击液氢、液氘及固体核靶。
• 采用两台二极磁铁——上游的闭合孔径束流终止磁铁和下游的开放孔径磁铁——弯曲并聚焦μ子轨迹。
• 在四个探测器站配备塑料闪烁体多板计数器和高分辨率漂移室，用于轨迹重建与μ子识别。
• 采用基于FPGA的触发系统，通过比较多板计数器信号与预编程的“路径”（roads）来选择具有相反电荷、高质质量的二μ子对事件。
• 使用基于CODA的数据获取系统，包含事件、计数器、束流和慢控子系统，实现实时监控与数据完整性保障。
• 通过蒙特卡罗模拟验证质量分辨率与探测器性能，利用J/ψ和ψ′峰进行标定。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过Drell-Yan过程测量，反下夸克与反上夸克在质子海中的相对贡献是多少？
• RQ2 当质子结合在原子核中时，核效应如何改变海夸克的结构？
• RQ3 Drell-Yan截面在多大程度上反映了质子部分子分布的味依赖性？
• RQ4 该谱仪是否具备足够的分辨率以清晰分辨J/ψ和ψ′峰，从而精确提取质量和截面测量值？
• RQ5 在高强度束流条件下，触发系统、数据获取系统和慢控系统的性能与稳定性如何？

主要发现

• SeaQuest谱仪在J/ψ峰处实现0.21 GeV/c²的实测质量分辨率，与蒙特卡罗模拟结果高度一致。
• 二μ子质量谱清晰分辨出J/ψ和ψ′共振态，证实了该谱仪在精密谱学方面的能力。
• 触发系统通过基于FPGA的路径逻辑，高效且低背景地识别出高质质量、相反电荷的二μ子对。
• 数据获取系统（包括事件、计数器、束流和慢控）运行可靠，具备实时监控与异常自动报警功能。
• 该谱仪自2012年起投入运行，已成功收集高质量数据用于$\bar{d}/\bar{u}$比值的测量。
• 谱仪的坚固设计与完善基础设施为未来测量（包括寄生式暗光子搜索及计划中的极化束流/靶实验）提供了支持。