STAR detektor har en ny indre kerne

For forskere, der sporer omdannelsen af ​​protoner og neutroner-komponenterne i atomkerner, der udgør alt, hvad vi ser i universet i dag-til en suppe af grundlæggende byggesten kendt kendt kvark-gluonplasma, mere er bedre. Flere partikelspor, det er. Takket være en nyinstalleret opgradering af STAR -detektoren på Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), atomfysikere har nu flere partikelspor end nogensinde før for at få indsigt i den afgørende stofopbyggende overgang, der kørte denne proces omvendt for næsten 14 milliarder år siden.

RHIC - et US Department of Energy Office of Science brugerfacilitet til kernefysisk forskning ved Brookhaven National Laboratory - kolliderer stråler af tunge partikler såsom kerner af guldatomer for at genskabe de ekstreme forhold i det tidlige univers, inklusive temperaturer over 250, 000 gange varmere end midten af ​​solen. Kollisionerne smelter atomernes protoner og neutroner, øjeblikkeligt frigør deres indre byggesten - kvarker og gluoner - der sidst eksisterede som frie partikler en milliontedel af et sekund efter Big Bang. STAR-detektoren fanger spor af partikler, der dukker op fra kollisionerne, så kernefysikere kan lære om kvarkerne og gluonerne - og den kraft, der binder dem til mere velkendte partikler, når det varme kvark-gluon-plasma afkøles.

STAR -detektoropgraderingen af ​​det "indre tidsprojektionskammer, "eller iTPC, blev afsluttet lige i tide til dette års kollisionsløb på RHIC. Det øger detektorens evne til at fange partikler, der dukker op tæt på strålelinjen i retning "fremad" og "bagud", samt partikler med lavt momentum.

"Med opgraderingen af ​​den indre TPC, vi kan dramatisk øge detektordækningen og det samlede antal partikler, vi kan måle i en given hændelse, "sagde Grazyna Odyniec, gruppeleder for Lawrence Berkeley National Laboratory's Relativistic Nuclear Collisions -gruppe, som var ansvarlig for konstruktionen af ​​originale STAR TPC og de mekaniske komponenter i de nye sektorer.

Krympende elektronik, flere snapshots

Et centralt element i opgraderingen var at inkorporere avanceret aflæsningselektronik, som er kommet langt siden STARs originale TPC blev samlet på Berkeley Lab i slutningen af ​​1990'erne.

"Fordi udlæsningselektronikken er blevet meget mindre, vi passer nu mange flere sensorer ind i de indre sektorer, " sagde Brookhaven Lab-fysiker Flemming Videbæk, projektleder for opgraderingen. Elektronikken er også blevet meget hurtigere. Det betyder, at detektoren kan tage "snapshots" oftere for at fange flere detaljer om individuelle partiklers stier. Hyppigere prøvetagning giver også STAR adgang til partikler, der tidligere gik tabt i målingerne med detektoren.

"Vi er nu i stand til at rekonstruere spor, der simpelthen var for korte til, at detektoren kunne se, "sagde Daniel Cebra, en fysiker fra University of California, Davis, og leder af iTPC -indsatsen. "Disse kortere spor stammer fra partikler, der enten blev udsendt i en lav vinkel - hvilket vil sige tæt på strålelinjen i retning af de kolliderende ioner - eller har et lavt momentum og er således krøllet op, når de bevæger sig gennem detektorens magnetfelt."

Indfangning af disse partikler med lav vinkel og lavt momentum vil give STAR-forskere meget mere data at arbejde med, når de søger efter tegn på kvark-gluon-plasmafaseovergangen - hovedmålet med RHIC's Beam Energy Scan II.

Samarbejdsindsats

At bygge komponenter til detektorforbedringen og få dem samlet i tide til de lavenergikollisioner, der startede i februar, var et samarbejde – og globalt.

Et hold fra Instituto de Física da Universidade de São Paulo i Brasilien designede hovedchippene til den nye signaludlæsningselektronik, som blev indarbejdet i den endelige samling af Brookhaven Lab STAR elektronikgruppen. Forskere ved Berkeley Lab ledet af Jim Thomas og Howard Wieman forberedte de mekaniske dele af de nye sektorer, inklusive "trimning" af justeringen af ​​aluminiumsrammerne for at matche designspecifikationerne inden for 50 mikron i alle dimensioner. Og meget af Berkeley-teamets visdom og metoder var medvirkende til at styre samlingen af ​​sektorernes trådkomponenter af STAR-samarbejdspartnere i Kina.

Hver af iTPCs 24 partikelsporingssektorer indeholder 1500 tynde tråde, der er opdelt i tre lag, der forstærker signaler, etablere et partikelstyrende elektrisk felt, og kontroller, hvilke spor der bliver optaget hos STAR. Disse ledninger skulle monteres med ekstrem præcision for at holde den relative afstand mellem lagene ens - inden for 10 mikron, eller milliontedele af en meter.

"Vi fik erfaring ved at bygge en lille prototype, selv før designet blev færdiggjort, og da det var, vi byggede en version i fuld størrelse, "sagde Qinghua Xu, en fysiker ved Shandong University, der ledede den kinesiske indsats. Da de færdiggjorde den første komplette prototype i 2017, de sendte den til Brookhaven til en testkørsel.

"I løbet af 2018, vi erstattede en af ​​de gamle sektorer med den nye prototype, og bekræftede, at det fungerede som forventet, "Videbaek sagde." Det gav os tillid til, at vi var klar til at bygge og installere de 23 andre sektorer. "

Kapløb mod tiden

Teamet på Brookhaven begyndte at installere sektorer i oktober 2018.

”Det var lidt af et løb med tiden, "Videbaek sagde." Vi installerede den sidste elektronik lige før jul og derefter, i januar, fyldte TPC'en med dens argon/methangasblanding og begyndte at tage kosmiske data, " han sagde.

Forskerne bruger kosmiske stråler (ladede partikler fra det ydre rum) - som kommer gennem taget med en hastighed på cirka 150 pr. Sekund - til at kalibrere detektoren og sikre, at alt fungerer.

Da de første lavenergikollisioner kom i februar, STAR-teamet var klar med en fuldt fungerende nyligt effektiv detektor.

"Vi er taknemmelige over for alle på holdet, der har været med til at gøre denne opgradering til en succes, "Sagde Videbaek.