[论文解读] The Solenoidal Large Intensity Device (SoLID) for JLab 12 GeV

J. Arrington, Jay Benesch+29 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 4

一句话总结

Solenoidal Large Intensity Device (SoLID) 是为杰斐逊实验室12 GeV电子束设计的高亮度、大接受度谱仪，旨在通过半包容深度非弹性散射（SIDIS）、电 parity 违反的深度非弹性散射（PVDIS）、近阈值 J/ψ 产生以及广义部分子分布（GPDs）实现对核子结构的精确测量。它利用先进的探测器技术与高数据率获取系统，以前所未有的统计精度，探测高-x 的夸克分布，并研究胶子对质子质量及电弱耦合的贡献。

ABSTRACT

The Solenoidal Large Intensity Device (SoLID) is a new experimental apparatus planned for Hall A at the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab). SoLID will combine large angular and momentum acceptance with the capability to handle very high data rates at high luminosity. With a slate of approved high-impact physics experiments, SoLID will push JLab to a new limit at the QCD intensity frontier that will exploit the full potential of its 12 GeV electron beam. In this paper, we present an overview of the rich physics program that can be realized with SoLID, which encompasses the tomography of the nucleon in 3-D momentum space from Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering (SIDIS), expanding the phase space in the search for new physics and novel hadronic effects in parity-violating DIS (PVDIS), a precision measurement of $J/ψ$ production at threshold that probes the gluon field and its contribution to the proton mass, tomography of the nucleon in combined coordinate and momentum space with deep exclusive reactions, and more. To meet the challenging requirements, the design of SoLID described here takes full advantage of recent progress in detector, data acquisition and computing technologies. In addition, we outline potential experiments beyond the currently approved program and discuss the physics that could be explored should upgrades of CEBAF become a reality in the future.

研究动机与目标

• 通过使用极化³He 和质子靶的高统计量半包容深度非弹性散射（SIDIS），探索核子在动量空间中的三维结构。
• 通过在高 x 区对氘核和质子进行电 parity 违反的深度非弹性散射（PVDIS），测量电弱参数并探测标准模型之外的新物理。
• 通过高精度测量近阈值 J/ψ 产生，确定胶子对质子质量的贡献。
• 通过深度专一反应与广义部分子分布（GPDs）映射核子在坐标空间与动量空间中的结构。
• 扩展电子-核子散射的运动学范围至高 Bjorken-x 与高 Q²，与电子-离子对撞机（EIC）计划互补。

提出的方法

• 采用螺线管形磁场构型，具有大接受度（高达 4π 球面度），可在亮度高达 10³⁹ cm⁻²s⁻¹ 的条件下捕获高多重末态。
• 采用气体电子倍增器（GEM）跟踪器，实现高数据率下的高精度带电粒子动量测量。
• 集成切伦科夫探测器（轻气与重气）以在高数据率环境下对π介子、K介子和质子进行粒子识别。
• 使用电磁量能器与塑料闪烁垫探测器，测量光子与强子的能量与时间。
• 部署多间隙阻性板室（MRPC）系统，实现在高数据率条件下的高精度时间测量与触发。
• 应用先进的数据获取与计算系统，结合实时处理、机器学习与去卷积技术，以应对高事件率并提取物理可观测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过横自旋依赖的 SIDIS，核子在动量空间中的三维结构，特别是横分量与张量荷分布，如何被揭示？
• RQ2 夸克对电子的电弱耦合为何值？在深度非弹性散射中的不对称性 A^{e+e-} 是否能观测到标准模型之外的偏离？
• RQ3 胶子场在质子质量生成中的作用是什么？通过近阈值 J/ψ 产生可被如何探测？
• RQ4 部分子分布函数（PDFs）与广义部分子分布（GPDs）在坐标空间与动量空间中的演化规律如何？它们在核子自旋与结构中扮演何种角色？
• RQ5 EMC 效应的同位旋依赖性如何？在高 x 区域，其随 x 与 Q² 的变化规律是什么？

主要发现

• SoLID 将高-x SIDIS 的性能指标提升 1000 倍，使在价夸克区域精确提取横动量依赖部分子分布（TMDs）成为可能。
• 对氘核的 PVDIS 计划可实现对电弱耦合组合 2g_{AA}^{eu} - g_{AA}^{ed} 的测量，其精度超越以往的μ子束实验，在 20+ GeV 升级方案中目标不确定性约为 ~0.15。
• SoLID 对近阈值 J/ψ 产生的测量将对胶子对质子质量的贡献实现约 10% 的灵敏度，探测胶子引力形式因子 G_G(0)。
• 通过深度专一介子产生开展的 GPD 计划将实现对核子在坐标空间与动量空间中三维结构的探测，其运动学范围可延伸至 x_Bj > 0.6，这是此前高亮度实验无法触及的区域。
• SoLID 的高亮度能力使首次直接测量 x > 0.6 范围内的 d/u PDF 比值成为可能，统计不确定性首次低于 1%。
• 该仪器设计可处理超过 10⁷ Hz 的事件率，其数据获取系统具备使用人工智能/机器学习算法实现实时事件重建与选择的能力。