The SPD project at NICA

NICAにおけるSPDプロジェクトの技術的要約

問題と科学的背景
核子のスピンの根本的な起源は、量子色力学（QCD）における中心的な問いであり続けている。CERNでのEMC実験は、クォークのスピンが陽子のスピンに寄に寄与する割合がわずかであることを明らかにしたが、グルオンのスピン（ヘリシティ）および軌道角運動量の寄与についてはさらなる調査が必要である。SLAC、SMC、COMPASS、HERMES、RHICにおけるこれまでの実験は、グルオンのヘリシティおよび横運動量分布（TMD）に関する制約を与えてきたが、特に陽子の3次元構造や、中間から高ビョルケン$x$におけるグルオンの振る舞いに関しては、依然として大きな空白が存在する。さらに、スピン1/2の核子では消失するグルオン横スピン分布（transversity distribution）は、スピン1の重陽子における新しい自由度を探索するためのユニークなプローブとなる。JINR（核研究研究所）のNICA（Nuclotron-based Ion Collider fAcility）コンプレックスは、専用の偏極ハドロン衝突型加速器として機能することを目指しており、これは現在のおよび計画中の施設の中でも独自の能力である。

手法と実験セットアップ
SPD（Spin Physics Detector）は、NICAコライダーの2つの相互作用点の一方に設置される、ユニバーサルな$4\pi$検出器として設計されている。この施設は、衝突エネルギー最大$\sqrt{s} = 27$ GeV、設計ルミノシティ$10^{32} \text{ cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$の、高強度の偏極陽子および重陽子ビームを利用する。

実験手法は、偏極グルオン成分にアクセスするために、3つの補完的なハードプローブを用いて、特定の単一および二重スピン非対称性を測定することに基づいている：

1. チャームモノニアの包含的生成（例：$J/\psi$, $\psi(2S)$）。
2. オープンチャーム生成。
3. 高$p_T$プロンプトフォトンの生成。

これらの過程は、グルオンヘリシティ関数 $\Delta g(x)$ およびグルオンTMDに対して敏感である。さらに、実験では、クォーク分布を調べるために、軽メソン（パイ中間子）の包含的生成およびディレル・ヤン過程を利用する。検出器設計には以下が含まれる：

• シリコン頂点検出器： $100 \, \mu\text{m}$未満の分解能を持つ、$D$中間子崩壊の二次頂点再構成用。
• ストローチューブ・トラッキングシステム： 1 Tの超伝導ソレノイド内に配置され、1 GeV/$c$において横運動量分解能 $\sigma_{p_T}/p_T \approx 2\%$ を提供する。
• 飛行時間（ToF）システム： 粒子識別（$\pi/K/p$分離）のために$\sim 60$ psの分解能を持つ。
• FARICH： 拡張された運動範囲での粒子識別を行うための、集束エアロゲル・リング・イメージング・チェレンコフ検出器。
• 電磁カロリメータ： サンプリング型で、エネルギー分解能は $\sim 5\%/\sqrt{E} \oplus 1\%$。
• レンジシステム： ミューオン識別および大まかなハドロンカロリメトリ用。
• ルミノシティおよび偏極測定： ビーム・ビーム・カウンターおよびゼロ度カロリメータ。

データ収集システムは、最大4 MHzの衝突レートを処理するために、トリガーレス（free-running）設計となっている。マグネット、トラッカー、カロリメータを含む第一段階の建設は、JINRの7年間の開発計画（2024–2030年）に含まれている。

主要な貢献と物理プログラム
本論文では、2つのフェーズに分かれた物理プログラムの概要を述べている：

1. 第一段階（低エネルギー／低ルミノシティ）： $p-p$衝突では$\sqrt{s} < 9.4$ GeV、 $d-d$衝突では$\sqrtس < 4.5$ GeV/核子で動作。このフェーズでは以下に焦点を当てる：

   • 偏極した$p-p$および$d-d$弾性散乱。
   • ハイパーオン生成およびマルチクォーク共鳴におけるスピン効果。
   • 閾値付近のチャームモノニア生成。
   • 重陽子のテンソル偏極の研究。

2. メイン物理プログラム（高エネルギー）： $\sqrt{s} \leq 27$ GeVで動作。主な目標は以下の通り：

   • グルオンヘリシティ： チャームモノニア、オープンチャーム、およびプロンプトフォトン生成における二重スピン非対称性（$A_{LL}$）を通じて $\Delta g(x)$ を決定する。プロンプトフォトンは、特にグルオンヘリシティの符号を決定する能力があることで注目されている。
   • グルオンTMD： 横単一スピン非対称性（SSA）を介して、グルオンシバーズ関数およびその他のTMD PDFを調査する。
   • グルオン横スピン分布（Transversity）： 重陽子における非ゼロのグルオン横スピン分布を探索する。これは、単純な核子の寄与の総和を超えた新しい自由度の存在を示すものである。
   • 非偏極グルオンPDF： 陽子および重陽子における高$x$（$x > 0.5$）での非偏極グルオン密度を制約する。
   • 因子化の限界： 非摂動領域（数GeV）から摂動領域（27 GeV）までエネルギーをスキャンすることにより、SPDは様々な因子化アプローチの適用限界を実験的に決定することを目指す。

結果と主張
本論文は、施設が建設中であるため、実験データは提示していない。代わりに、設計仕様と期待される物理的到達範囲を提示している。著者らは、SPDが以下のことを達成すると主張している：

• 他の施設では不可能な、グルオンTMDおよび重陽子のグルオン横スピン分布へのユニークなアクセスを提供する。
• 低エネルギーの固定標的実験とRHICの間のエネルギーギャップを埋め、スピン依存的なパートン構造の連続的な研究を可能にする。
• テンソル偏極ビームを通じて、重陽子のテンソル構造を研究するためのユニークな実験室を提供する。
• 中間エネルギー領域および特定のグルオンプローブに焦点を当てることで、電子イオン衝突器（EIC）および他の施設の物理プログラムを補完する。

意義
SPDプロジェクトの意義は、特にグルオン部門に焦点を当てた、核子の3次元トモグラフィーを進展させる潜在能力にある。近い将来において世界で唯一の計画されている偏極ハドロン衝突型加速器として、NICA/SPDは、幅広いエネルギー範囲にわたる核衝突におけるスピン依存効果を研究するユニークな機会を提供する。本プロジェクトは、陽子のスピンに対するグルオンヘリシティの寄与の大きさおよび符号に関する未解決の問題を解決し、テンソル偏極を通じて重陽子の内部構造を探求することを目指している。本論文は、フルスケールのグルオン物理プログラムの実装が2030年代に計画されていることを強調しており、強い相互作用を理解するための世界的取り組みにおける重要な補完的要素としてSPDを位置づけている。