Relativistisk tung ion kolliderer begynder 18. år med eksperimenter

De første smashups af to nye typer partikler ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - en US Department of Energy (DOE) Office of Science brugerfacilitet til kernefysisk forskning ved Brookhaven National Laboratory - vil give ny indsigt i virkningerne af magnetisme på stoffets ildkugle skabt i disse kollisioner. Opfyldelsen af ​​dette hovedmål for den 15-ugers løbet af RHIC's 18. år vil trække på mere end et årti af akkumuleret ekspertise, forbedringer af kolliderer og detektorkomponenter, og en samarbejdsindsats med partnere på tværs af DOE-komplekset og rundt om i verden.

Fysikere vil også udføre to forskellige slags kollisioner med guldioner ved lave energier, herunder kollisioner af guldioner med et stationært mål. Disse kollisioner vil hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå det eksotiske stof, der er skabt i RHICs højeste energikollisioner, herunder styrken af ​​dets magnetfelt, og hvordan det udvikler sig fra en varm suppe af stofs grundlæggende byggesten (kvarker og gluoner) til de almindelige protoner og neutroner, der udgør hovedparten af ​​det synlige stof i universet i dag.

Som en bonus – eller rettere, et vidnesbyrd om effektiviteten af ​​RHIC-acceleratorpersonalet - kollider-accelerator-teamet vil også implementere og finjustere adskillige teknologier, der er vigtige for fremtidig kernefysisk forskning.

"På nogle måder er dette løb kulminationen på to årtiers udvikling af faciliteter, sagde Wolfram Fischer, Associate Chair for Acceleratorer i Brookhaven Labs Collider-Accelerator (C-AD) afdeling. "Vi vil gøre brug af mange værktøjer, vi har udviklet gennem mange år, som vi nu har brug for alle på samme tid. Al denne ekspertise inden for C-AD og støtte fra DOE og andre laboratorier kom sammen for at gøre dette muligt."

Helen Caines, en fysiker ved Yale University, der fungerer som medtalsmand for RHICs STAR-eksperiment, var enig og udtrykte sin påskønnelse for RHICs unikke alsidighed og evne til at pakke så meget ind på så kort tid. "Det bliver 15 travle uger!" hun sagde.

At studere magnetiske effekter

RHIC kolliderer ioner (f.eks. kernerne af tunge atomer såsom guld, der er blevet strippet for deres elektroner) for at "smelte" deres protoner og neutroner og frigøre disse partiklers indre byggesten, kendt som kvarker og gluoner. At skabe dette "kvark-gluon plasma" efterligner forholdene i det meget tidlige univers og giver videnskabsmænd en måde at udforske den kraft, der styrer, hvordan disse fundamentale partikler interagerer. Kernefysikerne udfører disse undersøgelser ved at spore de partikler, der dukker op fra kollisionerne.

Et spændende fund fra en tidligere kørsel på RHIC var en observation af forskelle i, hvordan negativt og positivt ladede partikler strømmer ud fra ildkuglen, der blev skabt, når to guldioner kolliderer. Forskere har mistanke om, at denne ladningsadskillelse til dels udløses af noget, der kaldes den "chirale magnetiske effekt" - en vekselvirkning mellem det kraftige magnetfelt, der genereres, når de positivt ladede ioner kolliderer lidt uden for midten (frembringer en hvirvlende masse af ladet stof) og hver enkelt partikels "kiralitet." Kiralitet er en partikels højre- eller venstrehåndethed, hvilket afhænger af om den drejer med eller mod uret i forhold til dens bevægelsesretning. Ifølge denne forståelse, ladningsadskillelsen skulle blive stærkere, efterhånden som styrken af ​​magnetfeltet øges - hvilket er præcis, hvad STAR-forskere tester i kørsel 18.

"I stedet for guld, vi bruger kollisioner med to forskellige 'isobarer' - isotoper af atomer, der har samme masse, men forskelligt antal protoner, og derfor forskellige niveauer af positiv ladning, " sagde Caines. Kollisioner af to rutheniumioner (masse nummer 96 med 44 protoner) vil skabe et magnetfelt, der er 10 procent stærkere end kollisioner af to zirconiumioner (masse nummer 96 med kun 40 protoner), hun sagde.

"Vi holder alt andet ved lige - størrelsen af ​​kerne, energien, og det samlede antal partikler, der deltager i kollisionen. Vi vil endda skifte fra den ene ionart til den anden på tæt på en dag-for-dag-basis for at eliminere enhver variation, som de to typer kollisioner med ugers mellemrum kan forårsage. Da det eneste vi varierer er magnetfeltet, dette burde være en endelig test af den chirale magnetiske effekt."

Et positivt resultat ville bevise, at kollisionerne skaber et meget stærkt magnetfelt - "det stærkeste nogensinde observeret, " sagde Caines. "Det ville også være et endegyldigt bevis på, at kollisionerne skaber et medium bestående af frie kvarker og gluoner, et kvark-gluon plasma, med en ubalance af venstre- og højrehåndede partikler drevet af kvanteudsving."

Indhentning og klargøring af isotoper

Selvom mængden af ​​stof, der er nødvendig for at kollidere individuelle ioner, er ekstremt lille (RHIC vil bruge meget mindre end et gram guld i alle sine driftsår!), at opnå visse sjældne isotoper kan være udfordrende. Zirconium-96 (den form, der er nødvendig for disse eksperimenter) udgør mindre end tre procent af den naturligt forekommende forsyning af dette grundstof, mens ruthenium-96 udgør mindre end seks procent.

"Hvis du bare brugte naturligt materiale til de ionkilder, der fodrer RHIC, stråleintensiteten ville være alt for lav til at indsamle de nødvendige data, " sagde Fischer. "Du kan købe berigede prøver af zirconium, men der er ingen kommerciel kilde til beriget ruthenium."

Heldigvis, der er en ny facilitet til sådan isotopberigelse på DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL), det berigede stabile isotopprototypeanlæg (ESIPP), som opvarmede naturmaterialet og elektromagnetisk udskilte de forskellige masser. ESIPP er en del af DOE Isotope Program og startede driften i FY 2018, genetablering af en generel hjemlig evne til at berige stabile isotoper.

"Med hjælp fra DOE Isotope Program i Office of Science, ORNL satte os øverst på deres prioritetsliste for at levere et halvt gram af dette materiale - et lille hætteglas med en smule 'støv' i bunden - i tide til løbeturen, " sagde Fischer.

Ruthenium-ionerne starter deres accelerationsvej i Brookhavens Tandem Van De Graaff-accelerator. For ikke at spilde noget af den dyrebare ionforsyning, Tandem-holdet, ledet af Peter Thieberger, først kørte tests med former for ruthenium med højere overflod, at sikre, at de har den nødvendige stråleintensitet. Til de egentlige eksperimenter, de fortynder rutheniumprøven med aluminium for at sprede forsyningen. Når først accelereret, ionerne bliver bundet, og disse bundter bliver kombineret til mere og mere tætpakkede bundter, når de cirkulerer gennem Booster-ringen og Alternating Gradient Synchrotron (AGS), vinder energi ved hvert trin, inden det bliver sprøjtet ind i RHICs to modcirkulerende 2,4-mile-omkreds ringe til kollisioner ved 200 milliarder elektronvolt (GeV).

For at få zirconiumionerne til kollisioner på de skiftende dage, Brookhaven-holdet, ledet af Masahiro Okamura, søgte hjælp hos Hiromitsu Haba og kolleger på Japans RIKEN-laboratorium, som havde erfaring med zirkoniummål. "De delte generøst alt, hvad de ved om at omdanne zirconium til oxidmål, vi kunne bruge til at udvinde ionerne, " sagde Fischer.

Forskere zapper disse zirconiumoxidmål med en laser ved Brookhavens Laser Ion Source for at skabe et plasma, der indeholder positivt ladede zirconiumioner. Disse ioner kommer derefter ind i Electron Beam Ion Source (EBIS) for at blive transformeret til en stråle. Fra EBIS, zirkoniumstrålen følger en sti, der ligner rutheniums, med ionerne, der smelter sammen i strammere og tættere bundter og får energi i Booster og AGS, før de injiceres i RHIC. Endnu et hold - Brookhavens egne kemikere fra Medical Isotope Research and Production Program, ledet af Cathy Cutler – genvinder rester af målmateriale og genbehandler det for at lave nye mål, så intet værdifuldt isotopmateriale efterlades ubrugt.

At have de to typer ioner ind i RHIC fra forskellige kilder gør det lettere at skifte fra ruthenium til zirconium dag for dag. "Dette er to noget eksotiske arter af ioner, så vi ønskede to uafhængige kilder, der kan optimeres og køre uafhængigt, " sagde Fischer. "Hvis du løber tør for begge kilder, det er sværere at få den bedste præstation ud af dem begge."

Når begge sæt ioner kommer ind i kollideren, yderligere forbedringer foretaget hos RHIC gennem årene hjælper med at maksimere antallet af dataproducerende kollisioner. Mest væsentligt, en teknik kaldet "stokastisk køling, "implementeret under dette løb af Kevin Mernick, registrerer, når partikler i strålerne spredes ud (varmes op), og sender korrigerende signaler til enheder foran de hurtige ioner for at skubbe dem tilbage i tætte pakker.

"Uden stokastisk afkøling ville det være meget svært, hvis ikke umuligt, at nå de eksperimentelle mål, fordi vi ville miste en masse ioner, " sagde Fischer. "Og vi kunne ikke gøre dette uden alle de forskellige dele i DOE og Brookhaven. Vi havde brug for al vores kildeviden i EBIS og ved Tandem, og vi havde brug for samarbejdspartnere fra RIKEN, ORNL, og vores kemikere i isotopprogrammet i Brookhaven. Det har været et fantastisk samarbejde."

"At skifte fra en art til en anden hver dag er aldrig blevet gjort før i en kolliderer, " sagde Fischer. "Greg Marr, RHIC Run Coordinator i år, skal trække på alle tilgængelige værktøjer for at gøre disse overgange så hurtigt og problemfrit som muligt."

Mere at lære af guld-guld

Efter isobar-kørslen, STAR-fysikere vil også studere to slags guld-guld-kollisioner. Først, i kollisioner af guldbjælker ved 27 GeV, de vil lede efter forskellige effekter i, hvordan partikler kaldet lambdas og modsat ladede antilambda-partikler opstår. Sporing af lambdaer førte for nylig til opdagelsen af, at RHICs kvark-gluonplasma er den hurtigste roterende væske, der nogensinde er stødt på. Måling af forskellen i, hvordan lambdaer og deres antipartikel-modstykker opfører sig, ville give STAR-forskere en præcis måde at måle styrken af ​​det magnetiske felt, der forårsager denne "hvirvling".

"Dette vil hjælpe os med at forbedre vores beregninger af den chirale magnetiske effekt, fordi vi ville have en faktisk måling af det magnetiske bidrag. Indtil nu, disse værdier er udelukkende baseret på teoretiske beregninger, " sagde Caines.

I løbets sidste fase, acceleratorfysikere vil konfigurere RHIC til at køre som et eksperiment med faste mål. I stedet for at slå to stråler sammen i frontale kollisioner, de vil smække en stråle af guldioner i en guldfolie placeret i STAR-detektoren. Centrum for massekollisionsenergi, 3.2 GeV, vil være lavere end i nogen tidligere RHIC-kørsel. Disse kollisioner vil teste for at se, om et signal, som forskerne så ved højere energier - store udsving i produktionen af ​​protoner - slukker. Forsvinden af ​​dette signal kunne tyde på, at de fluktuationer, der blev observeret ved højere energier, var forbundet med et såkaldt "kritisk punkt" i overgangen af ​​frie kvarker og gluoner til almindeligt stof. Søgningen efter dette punkt - et bestemt sæt temperatur- og trykforhold, hvor typen af ​​fasetransformation ændres - har været et andet stort forskningsmål på RHIC.

Disse laveste energikollisioner vil også danne starten på den næste "stråleenergiscanning, "en række kollisioner på tværs af en bred vifte af energier, der for alvor begynder næste år, sagde Caines. Dette arbejde vil bygge på resultater fra tidligere bestræbelser på at kortlægge de forskellige faser af kvark-gluon stof.

Justering af detektor- og acceleratorteknologier

Some newly upgraded components of the STAR detector will be essential to these and future studies of nuclear matter at RHIC, so STAR physicists will be closely monitoring their performance during this run. These include:

• An inner component of the barrel-shaped Time Projection Chamber (the iTPC), developed with significant support from DOE and China's National Natural Science Foundation and Ministry of Science and Technology.
• An "endcap time of flight" (eTOF) detector developed by STAR physicists and a collaboration of scientists working on the Compressed Baryonic Matter experiment, which will be located at the future Facility for Antiproton and Ion Research in Darmstadt, Tyskland.
• A new "event plane detector" developed by U.S. and Chinese collaborators in a project supported by the DOE, the U.S. National Science Foundation, and the Chinese Ministry of Science and Technology.

The first two of these components work together to track and identify particles emerging from collisions closer to the beamline than ever before, enabling physicists to more precisely study directional preferences of particles. The event plane detector will track the orientation of the overlap region created by colliding particles—and therefore the orientation of the magnetic field.

"The combination of these new components will enhance our ability to track and identify particles and study how the patterns of particles produced are influenced by collision conditions, " Caines said.

On the accelerator front, Fischer notes two major efforts taking place in parallel with the Run 18 physics studies.

One project is commissioning a newly installed electron accelerator for low energy electron cooling, an effort led by Alexei Fedotov. This major new piece of equipment uses a green-laser-triggered photocathode electron gun to produce a cool beam of electrons. The electrons get injected into a short section of each RHIC ring to mix with the ion beams and extract heat, which reduces spreading of the ions at low energies to maximize collision rates.

The commissioning will include fine tuning the photocathode gun and the radiofrequency (RF) cavities that accelerate the electron beam after it leaves the gun to get it up to speed of RHIC's gold beams. The physicists will also commission RF correctors that give extra kicks to lagging particles and slow down those that are too speedy to keep all the electrons closely spaced.

"We have to make sure the electron beam has all the necessary properties—energy, size, momentum spread, and current—to cool the ion beam, " Fischer said. "If everything goes right, then we can use this system to start cooling the gold beam next year."

Physicists will also test another system for electron cooling at higher energies, which was developed in an effort led by Vladimir Litvinenko. In this system, called coherent electron cooling, electron beams are used as sensors for picking up irregularities in the ion beam. "The electron beam gets 'imprinted' by regions of low or high ion density, " Fischer said. Once amplified, this signal in the electron beam can be fed back to the ion beam "out of phase" to smooth out the irregularities.

Though this type of cooling is not essential to the research program at RHIC, it would be essential for cooling beams in a high-energy Electron-Ion Collider (EIC), a possible future research facility that nuclear physicists hope to build. Testing the concept at RHIC helps lay the foundation for how it would work at an EIC, Fischer said.

If the experience at RHIC is any guide, all the testing should pay off with future physics discoveries.