The future fixed-target program at the CERN SPS

技术摘要：CERN SPS 的未来固定靶实验计划

问题与动机
CERN 超导质子同步加速器（SPS）仍然是一个独特的设施，能够在质心能量范围 $\sqrt{s_{NN}}$ 为 5 至 17 GeV（对应重钡化学势 $\mu_B$ 约为 220–450 MeV）内加速重离子。虽然第一阶段的 SPS 实验（于 2000 年结束）通过发现如奇异性增强和 $J/\psi$ 抑制等现象，为新物质态（夸克-胶子等离子体，QGP）的形成提供了令人信服的证据，但在低于 SPS 最高能量（158 GeV/核子）的能量区域，研究仍显不足。具体而言，在较低能量下，关于硬探测器和电磁探测器的数据仍然匮乏，且可能存在 QCD 临界点（CP）及一阶相变起始点的区域需要进一步调查。本文认为，尽管第一代实验已经结束，但 SPS 可以持续运行至约 2041 年。这种持续运行的合理性在于：需要更彻底地绘制有限 $\mu_B$ 区域的 QCD 相图，以及过去二十年检测技术的进步使得克服以往的精度限制成为可能。

方法论与拟议实验计划
本文概述了旨在填补这些物理空白的两个主要计划：升级后的 NA61/SHINE 实验和新获批准的 NA60+/DiCE 实验。

1. NA61/SHINE 升级：

   • 目标： 通过研究不同系统规模和能量下的强子到部分子物质的转变，研究退禁闭的起始。
   • 方法： 该计划建议使用轻离子束（氧、镁、硼），动量为 13、30 和 150 A GeV/c。这允许研究低能下的共振主导动力学、中等能量下强子与部分子机制的相互作用，以及在高能下识别 QGP 的起始。
   • 硬件： 升级涉及用基于硅像素探测器（靠近靶标）的大型气体探测器（下游）组成的快速追踪系统，取代第一个大体积时间投影室（TPC）。该系统旨在处理高达 $\sim$10 kHz 的相互作用速率。
   • 范围： 除了轻离子碰撞外，升级后的计划还旨在对中心 Pb-Pb 碰撞中的粲强子产生进行首次直接测量，并研究多奇异性产生。

2. NA60+/DiCE 实验：

   • 目标： 在 SPS 能量范围内对 Pb-Pb 碰撞中的硬探测器（开粲、粲偶素）和电磁探测器（双轻子）进行高精度研究。
   • 探测器设计： 受前 NA60 探测器的启发，该装置由一个顶点谱仪和一个双轻子谱仪组成，两者之间由厚强子吸收体隔开，每个谱仪都配备了一个偶极磁铁。
     • 顶点谱仪： 利用组织成五个站点的单片活性像素传感器（MAPS）。传感器使用缝合技术（重复传感器单元）来创建具有极小死区的较大面积（$\sim$13.5 $\times$ 13.5 cm$^2$）。
     • 双轻子谱仪： 由六个多线比例室（MWPC）追踪站组成。它利用了之前用于 NA62 的 MNP33 磁铁，并包含一个二次混凝土吸收体以阻止穿透强子。
   • 性能： 该系统旨在实现顶点谱仪与双轻子谱仪之间的径迹匹配，以获得高分辨率。预期的质量分辨率为 $\omega$ 介子的 11 MeV 以及 $J/\psi$（通过双轻子衰变）的 33 MeV，在 $p_T = 1$ GeV/c 时的横向动量冲击参数分辨率约为 $\sim$20 $\mu$m。

关键结果与物理前景
本文展示了拟议实验的详细性能模拟和物理预测：

• 电磁探测器（双轻子）：

  • 针对 $\sqrt{s_{NN}} = 8.8$ GeV（集成亮度为 $0.6 \times 10^{12}$ 个靶核上的离子）的 Pb-Pb 碰撞模拟表明，实验有能力测量在 $m_{\mu\mu} < 1$ GeV/c$^2$ 时由介质内 $\rho$ 衰变主导的热辐射产额。
  • 热谱预计可以测量到 2.5–3 GeV/c$^2$。
  • 通过在 $1.5 < m_{\mu\mu} < 2.5$ GeV/c$^2$ 区间内对谱进行拟合，实验预计提取的平均温度（$T_{slope}$）的总不确定度约为 $\sim$4%。这种精度旨在检测 $T_{slope}$ 对 $\sqrt{s_{NN}}$ 依赖性的结构，从而可能揭示与一阶相变相关的“热量曲线”平坦化现象。
  • 该装置对手征对称性恢复也具有敏感性，有可能在 0.9–1.4 GeV/c$^2$ 区域检测到由于 $\rho$-$a_1$ 混合导致的 $\sim$20–30% 的双轻子产额增加。

• 重夸克探测器：

  • 开粲： 实验计划通过其向带电强子的衰变来重建开粲强子（$D^0$, $D_s$, $\Lambda_c$）。基于位移衰变顶点（平均固有衰变长度为 60–310 $\mu$m）的几何选择预计将足以降低组合背景，从而在无需显式粒子识别的情况下识别这些粒子。
  • 粲偶素： 对于 $E_{lab} = 50$ A GeV 下 Pb-Pb 碰撞中的 $J/\psi$ 抑制（$R_{AA}$），模拟假设在冷核物质效应之外存在 30% 的抑制。探测器的分辨率允许进行精确的中心度依赖性研究。

• 奇异性与涨落：

  • NA61/SHINE 此前已绘制了 $K^+/\pi^+$ 比率中的“角（horn）”结构。未来的测量将把这一研究扩展到轻离子碰撞，以更好地定义转变阈值。
  • 涨落研究（净电荷的累积量比率）将继续寻找指示 QCD 临界点的非单调行为，填补当前 SPS 数据与 FAIR/CBM 领域之间的能量间隙（4.5–7.5 GeV）。

意义与主张
本文断言，CERN SPS 为重离子物理提供了一个独特且灵活的环境，这在同能量范围内的其他设施中无法完全复制。虽然 NICA 设施是一个潜在的竞争者，但论文指出，NICA 的相互作用速率预计比 SPS 的能力低一个数量级以上（SPS 的能力可超过每秒 $10^6$ 个 Pb 离子）。

拟议计划的意义在于其能够：

1. 绘制 QCD 相图： 特别是针对有限 $\mu_B$ 区域，该区域是临界点和相变性质（交叉或一阶）预计显现的地方。
2. 利用技术进步： 利用现代 Si-pixel 探测器和高速率能力，克服前几代实验（如 NA38/NA50/NA60）的精度限制。
3. 提供补充数据： 提供关于硬探测器和电磁探测器的关键低能数据，这些数据目前在 Pb-Pb 碰撞中是缺失的，从而补充高能对撞机结果和未来的 FAIR 数据。

作者得出结论，支持 NA61/SHINE 升级和新 NA60+/DiCE 实验的这一物理计划在技术上是可行的，并且对于全面理解 QGP 和 QCD 相图在科学上是至关重要的。