Forward jet-tracking komponenter installeret på RHICs STAR detektor

Lige før starten på dette års løb på Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - et amerikansk Department of Energy Office of Science brugerfacilitet til atomfysisk forskning ved DOE's Brookhaven National Laboratory - et team af forskere, ingeniører, teknikere, og eleverne gennemførte installationen af ​​vigtige nye komponenter i kolliderens STAR -detektor. Denne partikelsporer i husstørrelse (den solenoidale sporer hos RHIC) fanger det subatomære affald, der dannes, når atomkerner kolliderer, så videnskabsmænd kan lære om stoffets byggesten. De nye komponenter vil udvide STARs evne til at spore jetfly af partikler, der dukker op i en ekstrem "fremad" retning, betyder tæt på den strålelinje, hvorigennem partiklerne bevæger sig, når de støder sammen.

Fremadrettet jetdetektion vil være vigtig for at lære, hvordan de indre komponenter af protoner og neutroner - kvarker og gluoner - bidrager til de overordnede egenskaber af disse byggesten af ​​stof.

"Jets er fremragende surrogater for kvarker og gluoner, "sagde Brookhaven Lab-fysikeren Elke-Caroline Aschenauer, der leder STAR fremad opgraderingen. "Hvis du måler energien af ​​alle de partikler, der udgør en stråle, så ved du stort set alt om kvarken eller gluonen, der producerede den stråle under kollisionen - dens energi, retning, og spin." Måling af mange jetfly vil gøre det muligt for forskere at kortlægge protonens 3D-struktur, inklusive arrangementet og spin af kvarkerne og gluonerne indeni.

Det nye udstyr vil ikke blive brugt til fysiske målinger før næste års løb med RHIC -eksperimenter med høj energi. Men at have de vigtigste komponenter - to slags kalorimetre - installeret til dette års lavenergiløb giver fysikere en chance for at kalibrere udstyret og finde ud af eventuelle knæk.

"Vi kan bruge denne tid til at få alle dataindsamlingssystemer til at køre, test aflæsningskanalerne, og idriftsætte vores trigger-opsætning" - systemet, der bestemmer, på en brøkdel af et sekund, hvilke kollisioner der skal registreres, og hvilke der skal kastes, sagde Aschenauer.

Adskilt af tid og rum

At overholde deadline for starten af ​​dette års RHIC-løb midt i en global pandemi var ingen lille opgave.

"Vi ville have masser af akademiske 'brugere' af STAR -eksperimentet, og deres elever tog til Brookhaven for at samle og installere komponenterne, men med COVID, det blev meget kompliceret, "sagde Oleg Tsai, en STAR-bruger fra UCLA og det kreative sind bag det fremadrettede detektordesign.

I stedet, projektet bevægede sig fremad som et samarbejde adskilt af rum og tid.

"STAR -brugere på universiteter i hele landet arbejdede på at bygge og teste komponenter med studerende - herunder nogle, der boede for langt hjemmefra til at rejse under lockdown, " sagde Tsai.

For at bevare social afstand, "Vi deler naturligvis op i morgen- og eftermiddagsgrupper, " sagde David Kapukchyan, en kandidatstuderende, der hjalp med at samle komponenter på University of California, Riverside. "Vi var nødt til at efterlade noter til hinanden, så hver gruppe vidste, hvad de skulle gøre for deres tid i laboratoriet."

"Denne erfaring har givet mig stor indsigt i, hvordan detektorer i denne størrelse kommer sammen og mængden af ​​arbejde, det tager at bygge dem, " han tilføjede.

Det opfyldte et nøglemål for Scott Wissink, en STAR-bruger og fysikprofessor ved Indiana University, der koordinerede forslaget om at finansiere dette arbejde gennem National Science Foundation's Major Research Instrumentation (MRI) program, som specifikt omfattede støtte til studerendes deltagelse på de ti universiteter, der udgjorde projektkonsortiet.

"Ud over at købe materialer og udstyr, vi anmodede også om midler til at støtte den tekniske arbejdsstyrke, der kræves på de enkelte universiteter, og især for at give eleverne mulighed for at blive involveret i test og samling af komponenterne, " sagde han. "Denne erfaring vil ikke kun sikre, at vi har det rigtige udstyr til at udføre målingerne, men vil også forberede dem til at lede den næste generation af fysikeksperimenter. "

Assisteret montage

"Stykkerne blev produceret og leveret overalt i verden - Indiana, Pennsylvania, Californien, Illinois, Texas - selv Kina og Japan. Da vi ikke kunne få toiletpapir, fik vi scintillatorer, " Aschenauer bemærkede, beskriver speciel plastik, der registrerer lyspartikler. Så skulle alle brikkerne - titusindvis af komponenter - samles og installeres på en Lego-lignende måde, lag for lag, hun sagde.

Nogle elever var i sidste ende i stand til at hjælpe.

"Jeg havde planer om at komme til Brookhaven for mine doktorgradsstudier, før COVID-pandemien ramte, "sagde Erik Loyd, en anden kandidatstuderende ved UC Riverside. "Selvom min rejse oprindeligt blev forsinket, Jeg endte med at flytte til New York og karantæne i en måned, før jeg kom til laboratoriet for at hjælpe med installationen. "

Men med langt færre elever til rådighed end normalt, projektlederne henvendte sig til teknikere i Brookhavens Beam &Experimental Services (B&ES) gruppe og Collider-Accelerator Support (CAS) gruppen for at få yderligere assistance.

Brendan Hoy, medlem af CAS, bemærkede, at hans gruppes opgaver døgnet rundt typisk består i at reagere på udstyrsproblemer i realtid - fejlfinding og udførelse af korrigerende vedligeholdelse på ting som strømforsyninger og magneter - samt bygning, installation, og vedligeholdelse af forskellige elektroniske systemer rundt om i komplekset. "Det arbejde, vi udfører med at vedligeholde STAR-strømforsyninger og den elektronikcentrerede karakter af mine regelmæssigt tildelte opgaver, som er kortlagt på denne detektor, installerer meget godt, "sagde han." I betragtning af de unikt vanskelige omstændigheder, som 2020 bragte os alle, Jeg fandt muligheden for at arbejde på et projekt uden for det normale omfang af min rolle som en velkommen."

"Collider-Accelerator Department (CAD) teknikere, arbejder med STAR Technical Support Group, gjorde et godt stykke arbejde med at installere kalorimetrene og deres støttestrukturer, " sagde Rahul Sharma, STARs overingeniør. "Arbejdet gik dobbelt så hurtigt som oprindeligt forventet, med grupper, der arbejder på skiftende skift om morgenen og eftermiddagen for at stable flere lag af detektorblokkene. Det var en reel udfordring at prøve at koordinere alt dette i over tre måneder for at fuldføre installationen. "

"Vi var nødt til at overvinde mange udfordringer, mens vi byggede disse detektorer i en så stram placering og tidsramme, " sagde Travis Herbst, en tekniker i B&ES. "På grund af den begrænsede plads, vi skulle installere et midlertidigt transportbånd, der gjorde det muligt for os at overføre næsten 10, 000 stål absorberblokke med en vægt på 15 tons og 20, 000 ben bruges til at holde dem sammen under bjælkelinjen, så vi kunne bygge detektorerne på begge sider. "

Adrian Timon, en anden B&ES-tekniker, tilføjede:"Vi var også nødt til at opretholde social afstand i alle de arbejdstider, der var nødvendige for at installere detektoren, mens vi inspicerede og holdt alle blokke og stifter renset for snavs eller deformitet, da sådanne defekter kan forårsage problemer med detektorens interne struktur."

"Det mest fantastiske for mig var alle disse små detaljer, som man ikke læser om i en lærebog, når de beskriver disse kalorimetre, "sagde UC Riversides Kapukchyan, som også rejste til Long Island til forsamlingen. "Du læser om fysikken om, hvordan partikler mister energi, og hvordan man beregner det, men alle disse mindre konstruktionsdetaljer, som hvordan man løsner kabler korrekt, er udeladt. At være involveret [gennem alle faser af dette projekt] var en stor oplevelse for mig og vil helt sikkert hjælpe mig i mine fremtidige bestræbelser, " han sagde.

At skubbe videnskaben fremad

De nu komplette Lego-lignende kalorimetersamlinger vil blive samlet, efter årets løb, af et par ekstra komponenter - to slags sporingsdetektorer til at skelne partikler med forskellige elektriske ladninger. Hele systemet vil derefter være klar til at indsamle fysikdata i 2022 RHIC-kørslen.

Placeret i den ene ende af STAR-detektorens tøndeformede tidsprojektionskammer, kalorimetrene og trackerne vil fange jetfly, der dukker op i vinkler meget tæt på RHICs strålelinje, ud i den ende af tønden. At studere disse særlige jetfly er vigtigt, fordi de giver videnskabsmænd adgang til kvarker og gluoner, der bærer enten en meget høj eller meget lav procentdel af protonens (eller kernens) samlede momentum.

Stråler produceret ved at sprede de tre vigtigste valensekvarker, der udgør en proton, bærer en stor procentdel af partikelens samlede momentum. Men en proton er meget mere kompleks end de tre hovedkvarker. Indeni er der et myldrende mikrokosmos af kvark- og antikvarkepar, der flyver ind og ud af tilværelsen. Gluoner - passende navngivet fordi de limer kvarkerne sammen - er endnu mere mystiske. De deler sig og formerer sig og ved høje energier, kan helt dominere protonens struktur. Hver af disse gluoner bærer en lille procentdel af protonens samlede momentum. Men fordi der er så mange af dem, forskere mener, at deres kombinerede indflydelse spiller en overdimensioneret rolle i etableringen af ​​protonens egenskaber. Derfor motivationen til at studere jetfly genereret af disse gluoner med "lavt momentum-fraktion".

"Disse målinger vil hjælpe os med at søge efter beviser for, at de guldioner, vi støder på ved RHIC, bliver tætte vægge af gluoner, og at denne mættede tilstand af gluoner er ansvarlig for nøgleegenskaber såsom protonspin og masse, som antydet af mange af de fund, vi allerede har observeret på RHIC, " sagde Aschenauer.

Målingerne vil også hjælpe med at lægge grundlaget for jet-tracking ved den fremtidige Electron-Ion Collider (EIC). EIC er en ny state-of-the-art DOE kernefysik facilitet, der skal bygges på Brookhaven Lab i samarbejde med Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) for at udvide videnskabsmænds rækkevidde til grænserne for kernefysik.

"Det hadroniske kalorimeterdesign, vi taler om til EIC, har komponenter, der grundlæggende er identiske med den, der er en del af denne opgradering, så en del af dette projekt fungerer som en prototype for fremtidige EIC -detektorkomponenter, " sagde Aschenauer.