CSR外靶上产生的高压缩重子物质状态研究和实验准备

Heavy-ion collision has been the key method of cold and dense matter study. By measuring the high-baryon-density matter created in the heavy-ion collisions, we can study in details the evolution of phase structure and equation of state of nuclear matter, in the case of low temperature and high baron density. The HIRFL experiment is the only available domestic platform for such research area, especially the cold storage ring (CSR) it equips. This proposal plans to measure the centrality and event plane based on heavy-ion fix-target collisions at CSR, and study how the asymmetric nuclear matter evolves at such high-baryon density phase, including the asymmetry of collision systems and the direct- and elliptic-flow they produce. For such purposes, strong preparation work are required, includin the Zero-Degree-Calorimeter (ZDC) locating at forward regime proposed in this project. We will start the R&D work of this ZDC including detector prototype, readout electronics, theory modeling, analysis software framework, so that the CSR external target experiment will be well prepared in the near future.

重离子碰撞实验是冷密核物质性质研究的中心手段。通过重离子碰撞产生的高重子密度物质，并选择合适的试验观测量，我们得以研究低温和高重子数密度条件下的核物质相结构和状态方程的演化。兰州重离子加速器是目前我国唯一有此能力的平台，尤其是之上的冷却储存环（CSR）。计划在CSR外靶上进行重离子碰撞的中心度和事件反应平面的测量，针对非对称核物质在高重子密度区的演化展开研究，尤其是碰撞系统的非对称性以及产生的各阶流。为此需要在实验条件上做好准备，包括本项目所专注的向前快度区零度角方向的量能器。我们将开展该零度角量能器的研发工作，包括探测器、读出电子学、模型计算和分析软件框架等方面，以提供预期CSR外靶实验的良好基础。

本项目的主要研究背景是结合中国建立独立自主大科学装置的发展环境，立足于重离子物理研究国内现有的最重要装置-兰州冷却储存环(HIRFL-CSR)，开展外靶实验探测器的研发。具体内容是研制前向快度区的强子量能器（ZDC），为探测重离子打靶实验碰撞事件的全局参数提供实验平台，包括事件中心度和事件平面等。. 通过为期4年的研发，项目组成功试制了强子量能器的模块，包括原理样机和2个8通道的工程样机。该样机的主要指标确定过程来自于2019年获批的国家自然科学基金委重大仪器专项《低温高密核物质测量谱仪的研制》(直接经费7452万元)。这一重大仪器项目研制的测量谱仪将基于HIRFL进行外靶实验，参与实验的离子元素种类涵盖从氘至铀的广大区间，束流动能预期从200MeV到1.2GeV每核子。本项目研发的强子量能器已经被确定为该测量谱仪的重要组成部分。. 项目研制的强子量能器工程样机的主要组成部分，包括了塑料闪烁体、真空光电倍增管PMT、前端和后端读出电路、以及自有数据采集系统DAQ。距离靶点3.7米，接受度近似为半径1米的圆形，垂直于束流方向。灵敏体积分为24个扇形和8个同心圆，以保证测量谱仪所需全局事件参数所需的空间分辨率。每一个灵敏体积单位通过PMT+电缆连接一个电子学读出通道，采用电荷灵敏加成型电路读出振幅和时间信号，可以在抗辐射的前提下满足谱仪要求的能量分辨率。. 作为测量谱仪的重要子系统，本项目研制的强子量能器正在参与谱仪子系统的原理样机评审，预期将在近期转为工程阶段。它将通过提供事件中心度和事件平面等关键全局参数，为测量谱仪上预期开展的物理分析，包括(非)对称能、集体流、核物质输运性质等，提供有力支撑。同时，在研制量能器期间建立的研发队伍和积累的技术储备，也会为同类大科学装置，尤其是已经立项的强流重离子加速器HIAF，作出自己的贡献。