De eerste botsingen van twee nieuwe soorten deeltjes in de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science voor kernfysisch onderzoek in Brookhaven National Laboratory - zullen nieuw inzicht bieden in de effecten van magnetisme op de vuurbal van materie die bij deze botsingen is ontstaan. Het bereiken van dit hoofddoel van de 15-weekse run van RHIC's 18e jaar zal putten uit meer dan een decennium aan opgebouwde expertise, verbeteringen aan versneller- en detectorcomponenten, en een samenwerking met partners in het DOE-complex en over de hele wereld.

Natuurkundigen zullen ook twee verschillende soorten botsingen met goudionen uitvoeren bij lage energieën, inclusief botsingen van goudionen met een stationair doelwit. Deze botsingen zullen wetenschappers helpen de exotische materie beter te begrijpen die is ontstaan ​​in de botsingen met de hoogste energie van RHIC, inclusief de sterkte van zijn magnetische veld en hoe het evolueert van een hete soep van de fundamentele bouwstenen van de materie (quarks en gluonen) tot de gewone protonen en neutronen die tegenwoordig het grootste deel van de zichtbare materie in het universum uitmaken.

Als een bonus - of liever, een bewijs van de efficiëntie van het RHIC-versnellerpersoneel - het versneller-versnellerteam zal ook verschillende technologieën implementeren en verfijnen die belangrijk zijn voor toekomstig kernfysisch onderzoek.

"In sommige opzichten is deze run het hoogtepunt van twee decennia van faciliteitsontwikkeling, " zei Wolfram Fischer, Associate Chair voor versnellers in de afdeling Collider-Accelerator (C-AD) van Brookhaven Lab. "We zullen gebruik maken van veel tools die we gedurende vele jaren hebben ontwikkeld, die we nu allemaal tegelijk nodig hebben. Al deze expertise in C-AD en ondersteuning van DOE en andere labs kwamen samen om dit mogelijk te maken."

Helen Caines, een natuurkundige aan de Yale University die fungeert als medewoordvoerder van RHIC's STAR-experiment, was het daarmee eens en sprak haar waardering uit voor de unieke veelzijdigheid en het vermogen van RHIC om zoveel in zo'n korte tijd in te pakken. "Het worden 15 drukke weken!" ze zei.

Magnetische effecten bestuderen

RHIC botst met ionen (bijvoorbeeld de kernen van zware atomen zoals goud die van hun elektronen zijn ontdaan) om hun protonen en neutronen te "smelten" en de interne bouwstenen van die deeltjes vrij te maken, bekend als quarks en gluonen. Het creëren van dit "quark-gluon-plasma" bootst de omstandigheden van het zeer vroege universum na en geeft wetenschappers een manier om de kracht te onderzoeken die bepaalt hoe deze fundamentele deeltjes op elkaar inwerken. De kernfysici voeren deze studies uit door de deeltjes te volgen die uit de botsingen komen.

Een intrigerende bevinding van een eerdere run bij RHIC was een observatie van verschillen in hoe negatief en positief geladen deeltjes uit de vuurbal stromen die ontstaat wanneer twee goudionen botsen. Wetenschappers vermoeden dat deze ladingsscheiding gedeeltelijk wordt veroorzaakt door iets dat het "chirale magnetische effect" wordt genoemd - een interactie tussen het krachtige magnetische veld dat wordt gegenereerd wanneer de positief geladen ionen enigszins uit het midden botsen (waardoor een wervelende massa geladen materie ontstaat) en de "chiraliteit." Chiraliteit is de rechts- of linkshandigheid van een deeltje, die afhangt van of het met de klok mee of tegen de klok in draait ten opzichte van de bewegingsrichting. Volgens dit begrip, de ladingsscheiding zou sterker moeten worden naarmate de sterkte van het magnetische veld toeneemt - en dat is precies wat STAR-wetenschappers testen in Run 18.

"In plaats van goud, we gebruiken botsingen met twee verschillende 'isobaren' - isotopen van atomen met dezelfde massa maar met een verschillend aantal protonen, en dus verschillende niveaus van positieve lading, " zei Caines. Botsingen van twee rutheniumionen (massanummer 96 met 44 protonen) zullen een magnetisch veld creëren dat 10 procent sterker is dan botsingen van twee zirkoniumionen (massanummer 96 met slechts 40 protonen), ze zei.

"We houden al het andere hetzelfde - de grootte van de kern, de energie, en het totale aantal deeltjes dat deelneemt aan de botsing. We zullen zelfs bijna van dag tot dag overschakelen van de ene ionensoort naar de andere om elke variatie te elimineren die de twee soorten botsingen met een tussenpoos van weken zou kunnen veroorzaken. Aangezien het enige dat we variëren het magnetische veld is, dit zou een definitieve test moeten zijn van het chirale magnetische effect."

Een positief resultaat zou bewijzen dat de botsingen een zeer sterk magnetisch veld creëren - "het sterkste ooit waargenomen, "Zei Caines. "Het zou ook het definitieve bewijs zijn dat de botsingen een medium creëren dat bestaat uit vrije quarks en gluonen, een quark-gluon plasma, met een onbalans van links- en rechtshandige deeltjes aangedreven door kwantumfluctuaties."

Het verkrijgen en voorbereiden van de isotopen

Hoewel de hoeveelheid materie die nodig is om individuele ionen te laten botsen extreem klein is (RHIC zal in al zijn jaren van gebruik veel minder dan een gram goud gebruiken!), het verkrijgen van bepaalde zeldzame isotopen kan een uitdaging zijn. Zirkonium-96 (de vorm die nodig is voor deze experimenten) maakt minder dan drie procent uit van de natuurlijk voorkomende toevoer van dit element, terwijl ruthenium-96 minder dan zes procent uitmaakt.

"Als je gewoon natuurlijk materiaal hebt gebruikt voor de ionenbronnen die RHIC voeden, de straalintensiteit zou veel te laag zijn om de benodigde gegevens te verzamelen, " zei Fischer. "Je kunt verrijkte monsters van zirkonium kopen, maar er is geen commerciële bron van verrijkt ruthenium."

Gelukkig, er is een nieuwe faciliteit voor dergelijke isotopenverrijking in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van DOE, de verrijkte stabiele isotopenprototypefabriek (ESIPP), die het natuurlijke materiaal verhitten en de verschillende massa's elektromagnetisch van elkaar scheidden. ESIPP maakt deel uit van het DOE Isotope-programma en begon in FY 2018, herstel van een algemeen binnenlands vermogen om stabiele isotopen te verrijken.

"Met de hulp van het DOE Isotope-programma in het Office of Science, ORNL zette ons bovenaan hun prioriteitenlijst om een ​​halve gram van dit materiaal - een klein flesje met een beetje 'stof' in de bodem - op tijd voor de vlucht te leveren, ' zei Fischer.

De rutheniumionen beginnen hun pad van versnelling in Brookhaven's Tandem Van De Graaff-versneller. Om geen kostbare ionenvoorraad te verspillen, het tandemteam, onder leiding van Peter Thieberger, voerden eerst tests uit met vormen van ruthenium in grotere hoeveelheden, ervoor te zorgen dat ze de benodigde straalintensiteit zouden hebben. Voor de eigenlijke experimenten ze verdunnen het rutheniummonster met aluminium om de voorraad te spreiden. Eenmaal versneld, de ionen worden gebundeld en die bundels worden gecombineerd tot steeds strakkere bundels terwijl ze door de Booster-ring en de Alternating Gradient Synchrotron (AGS) circuleren, het verkrijgen van energie bij elke stap voordat het wordt geïnjecteerd in RHIC's twee tegengesteld circulerende 2,4-mijl-omtrekringen voor botsingen bij 200 miljard elektronvolt (GeV).

Om de zirkoniumionen voor botsingen op de afwisselende dagen te krijgen, het Brookhaven-team, onder leiding van Masahiro Okamura, zocht hulp bij Hiromitsu Haba en collega's van het Japanse RIKEN-laboratorium die ervaring hadden met zirkoniumdoelen. "Ze deelden genereus alles wat ze weten over het transformeren van zirkonium in oxidedoelen die we zouden kunnen gebruiken om de ionen te extraheren, ' zei Fischer.

Wetenschappers zappen deze zirkoniumoxidedoelen met een laser bij Brookhaven's Laser Ion Source om een ​​plasma te creëren dat positief geladen zirkoniumionen bevat. Die ionen gaan dan de Electron Beam Ion Source (EBIS) binnen om te worden omgezet in een straal. Van EBIS, de zirkoniumstraal volgt een pad vergelijkbaar met dat van ruthenium, waarbij de ionen samensmelten tot steeds strakkere bundels en energie opdoen in de Booster en AGS voordat ze in RHIC worden geïnjecteerd. Nog een ander team - Brookhavens eigen chemici van het Medical Isotope Research and Production Program, onder leiding van Cathy Cutler - haalt overgebleven doelmateriaal terug en verwerkt het opnieuw om nieuwe doelen te maken, zodat er geen waardevol isotoopmateriaal ongebruikt blijft.

Als de twee soorten ionen RHIC van verschillende bronnen binnenkomen, wordt het gemakkelijker om van ruthenium naar zirkonium over te schakelen van dag tot dag. "Dit zijn twee ietwat exotische soorten ionen, dus we wilden twee onafhankelijke bronnen die kunnen worden geoptimaliseerd en onafhankelijk kunnen worden uitgevoerd, "Zei Fischer. "Als je allebei uit één bron komt, het is moeilijker om de beste prestaties uit beide te halen."

Zodra een van de ionen de versneller binnenkomt, aanvullende verbeteringen die in de loop der jaren bij RHIC zijn aangebracht, helpen het aantal gegevensproducerende botsingen te maximaliseren. Het meest significant, een techniek genaamd "stochastische koeling, " geïmplementeerd tijdens deze run door Kevin Mernick, detecteert wanneer deeltjes in de bundels zich verspreiden (opwarmen), en stuurt corrigerende signalen naar apparaten voor de versnellende ionen om ze terug in strakke packs te duwen.

"Zonder stochastische koeling zou het erg moeilijk, zo niet onmogelijk zijn om de experimentele doelen te bereiken, omdat we veel ionen zouden verliezen, Fischer zei. "En we zouden dit niet kunnen doen zonder alle verschillende onderdelen in DOE en bij Brookhaven. We hadden al onze bronkennis nodig in EBIS en bij de Tandem, en we hadden medewerkers van RIKEN nodig, ORNL, en ook onze chemici in het Isotope-programma in Brookhaven. Het is een geweldige samenwerking geweest."

"Elke dag overschakelen van de ene soort naar de andere is nog nooit eerder gedaan in een botser, " zei Fischer. "Greg Marr, de RHIC Run Coördinator dit jaar, moet gebruik maken van alle beschikbare tools om deze overgangen zo snel en naadloos mogelijk te maken."

Meer te leren van goud-goud

Na de isobar-run, STAR-natuurkundigen zullen ook twee soorten goud-goudbotsingen bestuderen. Eerst, bij botsingen van gouden stralen bij 27 GeV, ze zullen zoeken naar differentiële effecten in hoe deeltjes die lambda's worden genoemd en tegengesteld geladen antilambda-deeltjes ontstaan. Het volgen van lambda's leidde onlangs tot de ontdekking dat het quark-gluonplasma van RHIC de snelst draaiende vloeistof is die ooit is aangetroffen. Door het verschil te meten in hoe lambda's en hun tegenhangers tegen deeltjes zich gedragen, zouden STAR-wetenschappers een precieze manier hebben om de sterkte te meten van het magnetische veld dat deze "vorticiteit" veroorzaakt.

"Dit zal ons helpen onze berekeningen van het chirale magnetische effect te verbeteren, omdat we een daadwerkelijke meting van de magnetische bijdrage zouden hebben. Tot nu toe, die waarden zijn puur gebaseerd op theoretische berekeningen, ' zei Caines.

In de laatste fase van de run, versnellerfysici zullen RHIC configureren om te worden uitgevoerd als een experiment met een vast doel. In plaats van twee balken tegen elkaar te laten botsen bij frontale botsingen, ze zullen een straal goudionen in een goudfolie slaan die in de STAR-detector is geplaatst. Het zwaartepunt van de botsingsenergie, 3.2 GeV, lager zal zijn dan in enige eerdere RHIC-run. Deze botsingen zullen testen om te zien of een signaal dat de wetenschappers zagen bij hogere energieën - grote fluctuaties in de productie van protonen - wordt uitgeschakeld. Het verdwijnen van dit signaal zou erop kunnen wijzen dat de waargenomen fluctuaties bij hogere energieën verband hielden met een zogenaamd "kritiek punt" in de overgang van vrije quarks en gluonen naar gewone materie. De zoektocht naar dit punt - een bepaalde reeks temperatuur- en drukomstandigheden waarbij het type fasetransformatie verandert - is een ander belangrijk onderzoeksdoel van het RHIC geweest.

Deze botsingen met de laagste energie zullen ook het begin vormen van de volgende "straalenergiescan, " een reeks botsingen over een breed scala van energieën die volgend jaar serieus beginnen, zei Caines. Dat werk zal voortbouwen op resultaten van eerdere pogingen om de verschillende fasen van quark-gluonmaterie in kaart te brengen.

Detectie- en versnellertechnologieën afstemmen

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. Waaronder:

• 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, Germany.
• 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, maat, 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.