The future fixed-target program at the CERN SPS

技術要約：CERN SPSにおける将来の固定標的プログラム

問題と動機
CERNのスーパー・プロトン・シンクロトロン（SPS）は、重心エネルギー $\sqrt{s_{NN}}$ が 5 < $\sqrt{s_{NN}}$ < 17 GeV、すなわちバリオン化学ポテンシャル $\mu_B$ が約 220–450 MeV の範囲で重イオンを加速できる、独自の能力を持つ施設であり続けている。SPS実験の初期フェーズ（2000年に終了）は、ストレンジネス増強や $J/\psi$ 抑制といった発見を通じて、新しい物質の状態（クォーク・グルーオン・プラズマ、QGP）の形成に関する説得力のある証拠を確立したが、トップSPSエネルギー（158 GeV/核子）以下のエネルギー領域は未だ十分に探索されていない。具体的には、低エネルギーにおけるハード・プローブおよび電磁プローブに関するデータが不足しており、QCD臨界点（CP）や一次相転移の始まりを宿している可能性がある領域については、さらなる調査が必要である。本論文は、第1世代の実験が終了したにもかかわらず、SPSは2041年頃まで運転を継続できると主張している。この継続は、有限の $\mu_B$ 領域におけるQCD相図をより徹底的にマッピングする必要性と、過去20年間の検出技術の進歩によって、以前の精度限界を克服できることによって正当化される。

手法および提案される実験プログラム
本論文は、これらの物理学的ギャップに対処するために、2つの主要なイニシアチブ、すなわちアップグレードされたNA61/SHINE実験と、新たに承認されたNA60+/DiCE実験を概説している。

1. NA61/SHINEのアップグレード:

   • 目的: さまざル系サイズとエネルギーにわたって、ハドロンからパートンへの遷移を研究することにより、脱閉じ込め（deconfinement）の開始を調査すること。
   • アプローチ: 軽イオンビーム（酸素、マグネシウム、ホウ素）を用い、運動量 13, 30, 150 A GeV/c での測定を提案する。これにより、低エネルギーにおける共鳴支配のダイナミクス、中間エネルギーにおけるハドロンとパートンのメカニズムの相互作用、およびトップエネルギーにおけるQGPの開始の特定が可能となる。
   • ハードウェア: アップグレードでは、最初の大型容積の時刻投影チャンバー（TPC）を、高速トラッキングシステム（ターゲット付近のシリコン・ピクセル検出器と、下流の大型ガス検出器に基づく）に置き換える。このシステムは、$\sim$10 kHz までの相互作用レートを処理できるように設計されている。
   • 範囲: 軽イオン衝突に加えて、アップグレードされたプログラムは、中心的なPb-Pb衝突におけるチャーム・ハドロン生成の初の直接測定を行い、マルチストレンジネス生成を研究することを目指している。

2. NA60+/DiCE実験:

   • 目的: SPSエネルギー範囲におけるPb-Pb衝突におけるハード・プローブ（オープンチャーム、チャームオニア）および電磁プローブ（ダイレプトン）の高精度研究。
   • 検出器設計: かつてのNA60検出器に着想を得たこのセットアップは、厚いハドロン吸収体によって分離された、頂点分光器（vertex spectrometer）とミューオン分光器（muon spectrometer）で構成され、それぞれにダイポール磁石を備えている。
     • 頂点分光器: 5つのステーションに構成されたモノリシック能動型ピクセルセンサー（MAPS）を利用する。センサーは、デッドゾーンを最小限に抑えつつ広面積（$\sim$13.5 $\times$ 13.5 cm$^2$）を実現するために、ステッチング技術（反復センサーユニット）を使用している。
     • ミューオン分光器: 6つのマルチワイヤー比例計数管（MWPC）トラッキングステーションで構成される。これは、以前NA62で使用されていたMNP33磁石を利用し、パンチスルー・ハドロンを阻止するための二次的なコンクリート吸収体を含んでいる。
   • 性能: システムは、頂点分光器とミューオン分光器の間でトラックをマッチングさせ、高い分解能を実現するように設計されている。期待される質量分解能は、$\omega$ メソンで 11 MeV、$J/\psi$（ディミューオン崩壊経由）で 33 MeV であり、$p_T = 1$ GeV/c におけるインパクトパラメータ分解能は $\sim$20 $\mu$m である。

主要な結果と物理学的展望
本論文は、提案された実験に関する詳細な性能シミュレーションと物理学的投影を提示している：

• 電磁プローブ（ダイレプトン）:

  • $\sqrt{s_{NN}} = 8.8$ GeV における Pb-Pb 衝突（積分ルミノシティ $0.6 \times 10^{12}$ ions on target）のシミュレーションは、$m_{\mu\mu} < 1$ GeV/c$^2$ においてインメディウムでの $\rho$ 崩壊によって支配される熱放射収量を測定できることを示している。
  • 熱スペクトルは 2.5–3 GeV/c$^2$ まで測定可能と予想される。
  • $1.5 < m_{\mu\mu} < 2.5$ GeV/c$^2$ の区間でスペクトルをフィッティングすることにより、抽出された平均温度（$T_{slope}$）に対して $\sim$4% の全不確かさを得ることが投影されている。この精度は、$T_{slope}$ の $\sqrt{s_{NN}}$ 依存性における構造を検出することを目的としており、一次相転移に関連する「カロリック曲線」の平坦化を明らかにする可能性がある。
  • また、このセットアップはカイラル対称性の回復にも敏感であり、$\rho$-$a_1$ ミキシングによる 0.9–1.4 GeV/c$^2$ 領域でのダイレプトン収量の 20–30% の増加を検出できる可能性がある。

• 重いクォーク・プローブ:

  • オープンチャーム: 実験では、頂点望遠鏡における荷電ハドロンへの崩壊を通じて、オープンチャーム・ハドロン（$D^0, D_s, \Lambda_c$）を再構成する計画である。変位した崩壊頂点（平均固有崩壊長 60–310 $\mu$m）に基づく幾何学的選択により、明示的な粒子識別なしに組合せ背景事象を十分に低減し、これらの粒子を特定できると期待されている。
  • チャームオニア: $E_{lab} = 50$ A GeV における Pb-Pb 衝突での $J/\psi$ 抑制（$R_{AA}$）のシミュレーションは、コールド核物質効果を超えて 30% の抑制を想定している。検出器の分解能により、精密な中心度依存性の研究が可能となる。

• ストレンジネスとゆらぎ:

  • NA61/SHINE は、$K^+/\pi^+$ 比における「ホーン」構造を既にマッピングしている。将来の測定は、これを軽イオン衝突へと拡張し、遷移閾値をより明確に定義することを目指す。
  • ゆらぎの研究（純電荷の累乗比）は、現在のSPSデータとFAIR/CBMドメインの間のエネルギーギャップ（4.5–7.5 GeV）を埋めながら、QCD臨界点を示す非単調な挙動の探索を継続する。

意義と主張
本論文は、CERN SPSが、同じエネルギー範囲にある他の施設では完全には再現できない、ヘビーイオン物理学のためのユニークかつ柔軟な環境を提供していると断言している。NICA施設は潜在的な競合相手であるが、本論文は、NICA の相互作用レートが SPS の能力（$10^6$ 個/秒を超える Pb イオンが可能）よりも 1 桁以上低いことが予想されることを指摘している。

提案されたプログラムの意義は、以下の能力にある：

1. QCD 相図のマッピング: 特に、臨界点や相転移の性質（クロスオーバーか一次相転移か）が顕在化すると予想される有限の $\mu_B$ 領域を標的とする。
2. 技術的進歩の活用: 現代的な Si ピクセル検出器と高レート能力を活用することで、以前の世代の実験（例：NA38/NA50/NA60）の精度限界を克服する。
3. 補完的なデータの提供: 高エネルギーの衝突型加速器の結果や将来の FAIR データと補完するために、現在 Pb-Pb 衝突において利用できない低エネルギーのハード・プローブおよび電磁プローブに関する重要なデータを提供する。

著者らは、NA61/SHINE のアップグレードと新しい NA60+/DiCE 実験に支えられたこの物理プログラムの継続は、技術的に実現可能であり、QGP および QCD 相図の包括的な理解のために科学的に不可欠であると結論付けている。