Published September 12, 2023 | Version v1
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The future Electron-Ion Collider

Description

Generalized Parton Distributions include rich information and became a powerful tool for studying hadron structure. Deeply Virtual Compton Scattering is the golden channel to access GPDs. The development of high luminosity and high-acceptance detectors (Electron-Ion Collider) allows physicists to overcome the difficulty of DVCS measurements. The outstanding performance of the accelerator performs the eA collisions at the center of mass energy from 20 to 140 GeV, while the luminosity at the scale of 1034 cm-2s-1. The new type of high-density crystal, PWO-II, produced by CRYTUR in 2x2x20 cm3 will be utilized in the calorimeter. The transparency of PWO-II crystals is > 70% at 620 nm, > 60% at 420 nm, and >35% at 360 nm. The crystals also show good radiation hardness under 30 Gy radiation exposure. Ten PWO-II crystals have a uniform light yield at 30 p.e./MeV, providing sufficient light yield to reduce the fluctuation of the energy measurements. Near 3000 crystals were constructed inside the 12-sided polygon supporting structure in the simulation. The island clustering algorithm was used for reconstructed the energy. The energy resolution study by the particle gun shows the stochastic term and constant term are 1.8% and 1.2%, respectively. The spatial resolution of NEEMC varies from 5% to 15% of the crystal width depending on the particle's incident angle. The pion rejection of NEEMC can reach 103 with electron efficiency > 85% when the particle's energy is larger than 1 GeV. The Pi0- identified efficiency study can be interpreted as finding the local maxima in the single cluster caused by two high energy close photons. The study results show that efficiency is nearly 100% for pi0 energy is smaller than 10 GeV, and efficiency drops to 30% with 20 GeV pi0. The new type of 3x3 pixelated AC-LGAD were wire bonded to ALTIROC for performance test. The cross-talk between the adjacent channels is about 20% for VPA and 10% for TZ. A series of the TDC characteristic measurements show that the jitter for both preamplifiers is about 20 ps, and the time-walk effect is mild for inject charge > 12 pF. Furthermore, the beta source radiation results quantify the sharing scale of the 3x3 pixels AC-LGAD (∼ 20%). The electronics simulation study results show no significant changes in the spatial resolution, whether ADC resolution is 8, 10, or 12 bits. The 8-bit ADC is decided to use in the EICROC as it has a smaller size and power consumption than the 10-bit and 12-bit ADC. The ECCE is one of the full detector proposals for EIC. The new type of DVCS generator, called TOPEG, is used to generate the high acceptance beam configurations of 18x110 GeV2 electron and 4He. The acceptance study shows a -1.8 < η < -1.4 gap between the BEMC and EEMC. The 10σx,y geometry cut is applied on the Roman Pots, so the acceptance of Roman Pots quickly drops to 0% when the polar angle of the recoiled 4He < 2 mrad. This primary ECCE simulation study suggests extending the acceptance of BEMC longitudinally as the structure limits the radial size of EEMC. The acceptance of the Roman Pots is still challenging. In 2023, The overall design of ePIC was finalized by merging two full detector proposals (ECCE and ATHENA) after a series of intensive simulation studies. (author)

Availability note (English)

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Abstract (French)

Les distributions de Partons generalisees incluent des informations riches et sont devenues un outil puissant pour etudier la structure des hadrons. Deeply Virtual Compton Scattering est le canal en or pour acceder aux GPD. Le developpement de detecteurs a haute luminosite et a haute acceptation (Electron-Ion Collider) permet aux physiciens de surmonter la difficulte des mesures DVCS. Les performances exceptionnelles de l'accelerateur permettent d'effectuer des collisions eA au centre de masse avec une energie de 20 a 140 GeV, tandis que la luminosite a l'echelle de 1034 cm-2s-1. Le nouveau type de cristal haute densite, PWO-II, produit par CRYTUR en 2x2x20 cm3 sera utilise dans le calorimetre. La transparence des cristaux PWO-II est > 70% a 620 nm, > 60% a 420 nm et > 35% a 360 nm. Les cristaux presentent egalement une bonne durete aux radiations sous une exposition a un rayonnement de 30 Gy. Dix cristaux PWO-II ont un rendement lumineux uniforme a 30 pe/MeV, fournissant un rendement lumineux suffisant pour reduire la fluctuation des mesures d'energie. Pres de 3000 cristaux ont ete construits a l'interieur de la structure de support du polygone a 12 cotes lors de la simulation. L'algorithme de clustering d'iles a ete utilise pour reconstruire l'energie. L'etude de resolution energetique realisee par le canon a particules montre que le terme stochastique et le terme constant sont respectivement de 1,8% et 1,2%. La resolution spatiale du NEEMC varie de 5% a 15% de la largeur du cristal en fonction de l'angle d'incidence de la particule. Le rejet des pions du NEEMC peut atteindre 103 avec une efficacite electronique > 85% lorsque l'energie de la particule est superieure a 1GeV. L'etude d'efficacite identifiee par Pi0 peut etre interpretee comme la recherche des maxima locaux dans un seul amas provoques par deux photons proches de haute energie. Les resultats de l'etude montrent que l'efficacite est proche de 100% pour une energie pi0 inferieure a 10 GeV, et que l'efficacite chute a 30% avec 20 GeV pi0. Le nouveau type d'AC-LGAD pixelise 3x3 a ete relie par fil a ALTIROC pour des tests de performances. La diaphonie entre les canaux adjacents est d'environ 20% pour VPA et 10% pour TZ. Une serie de mesures caracteristiques du TDC montre que la gigue pour les deux preamplificateurs est d'environ 20 ps et que l'effet de marche temporelle est leger pour une charge d'injection > 12 pF. De plus, les resultats du rayonnement de la source beta quantifient l'echelle de partage de l'AC-LGAD 3x3 pixels (∼ 20%). Les resultats de l'etude de simulation electronique ne montrent aucun changement significatif dans la resolution spatiale, que la resolution ADC soit de 8, 10 ou 12 bits. Il est decide d'utiliser l'ADC 8 bits dans l'EICROC car sa taille et sa consommation d'energie sont inferieures a celles des ADC 10 bits et 12 bits. L'ECCE est l'une des propositions completes de detecteurs pour l'EIC. Le nouveau type de generateur DVCS, appele TOPEG, est utilise pour generer des configurations de faisceaux a haute acceptation de 18x110 GeV2 d'electrons et de 4He. L'etude d'acceptation montre un ecart de -1,8 < η < -1,4 entre le BEMC et l'EEMC. La coupe geometrique de 10σx,y est appliquee sur les pots romains, de sorte que l'acceptation des pots romains tombe rapidement a 0% lorsque l'angle polaire de l'4He recule < 2 milliards. Cette etude principale de simulation ECCE suggere d'etendre l'acceptation du BEMC longitudinalement, car la structure limite la taille radiale de l'EEMC. L'acceptation des pots romains reste un defi. En 2023, la conception globale de l'ePIC a ete finalisee en fusionnant deux propositions completes de detecteurs (ECCE et ATHENA) apres une serie d'etudes de simulation intensives. (auteur)

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Additional details

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Original title (English)
Le futur collisionneur electron-ion

Publishing Information

Imprint Pagination
134 p.
Report number
FRNC-TH--15229

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Notes
61 refs.