Voor wetenschappers die de transformatie volgen van protonen en neutronen - de componenten van atoomkernen waaruit alles bestaat wat we tegenwoordig in het universum zien - in een soep van fundamentele bouwstenen, bekend als quark-gluonplasma, meer is beter. Meer deeltjessporen, dat is. Dankzij een nieuw geïnstalleerde upgrade van de STAR-detector bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), kernfysici hebben nu meer deeltjessporen dan ooit om inzicht te krijgen in de cruciale overgang van materie die dit proces bijna 14 miljard jaar geleden in omgekeerde richting leidde.

RHIC - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science voor kernfysisch onderzoek aan het Brookhaven National Laboratory - botst met bundels van zware deeltjes zoals de kernen van goudatomen om de extreme omstandigheden van het vroege universum na te bootsen, inclusief temperaturen van meer dan 250, 000 keer heter dan het centrum van de zon. De botsingen smelten de protonen en neutronen van de atomen, tijdelijk hun innerlijke bouwstenen vrijmaken - quarks en gluonen - die een miljoenste van een seconde na de oerknal voor het laatst als vrije deeltjes bestonden. De STAR-detector legt sporen vast van deeltjes die uit de botsingen tevoorschijn komen, zodat kernfysici meer te weten kunnen komen over de quarks en gluonen - en de kracht die ze in meer bekende deeltjes bindt terwijl het hete quark-gluonplasma afkoelt.

De STAR-detector-upgrade van de "innerlijke tijdprojectiekamer, " of iTPC, werd net op tijd voltooid voor de reeks botsingen van dit jaar bij RHIC. Het vergroot het vermogen van de detector om deeltjes te vangen die dicht bij de bundellijn komen in de "voorwaartse" en "achterwaartse" richtingen, evenals deeltjes met een laag momentum.

"Met de upgrade van de innerlijke TPC, we kunnen de detectordekking en het totale aantal deeltjes dat we in een bepaald geval kunnen meten drastisch vergroten, " zei Grazyna Odyniec, groepsleider van de Relativistic Nuclear Collisions-groep van Lawrence Berkeley National Laboratory, die verantwoordelijk was voor de bouw van de originele STAR TPC en de mechanische componenten van de nieuwe sectoren.

Krimpende elektronica, meer snapshots

Een belangrijk element van de upgrade was de integratie van geavanceerde uitleeselektronica, die een lange weg hebben afgelegd sinds de oorspronkelijke TPC van STAR eind jaren negentig in Berkeley Lab werd geassembleerd.

"Omdat de uitleeselektronica veel kleiner is geworden, we passen nu veel meer sensoren in de binnenste sectoren, " zei Brookhaven Lab-natuurkundige Flemming Videbaek, projectmanager voor de upgrade. Ook de elektronica is veel sneller geworden. Dat betekent dat de detector vaker "snapshots" kan maken om meer details over de paden van individuele deeltjes vast te leggen. Frequentere bemonstering geeft STAR ook toegang tot deeltjes die eerder verloren zijn gegaan in de metingen met de detector.

"We zijn nu in staat om sporen te reconstrueren die gewoon te kort waren voor de detector om te zien, " zei Daniël Cebra, een natuurkundige van de Universiteit van Californië, Davis, en een leider van de iTPC-inspanning. "Deze kortere sporen zijn afkomstig van deeltjes die ofwel onder een lage hoek werden uitgezonden - dat wil zeggen dicht bij de bundellijn in de richting van de botsende ionen - of een laag momentum hebben en dus opkrullen terwijl ze door het magnetische veld van de detector bewegen."

Door deze lage-hoek- en lage-impulsdeeltjes vast te leggen, zullen STAR-wetenschappers veel meer gegevens hebben om mee te werken terwijl ze zoeken naar tekenen van de quark-gluon-plasmafase-overgang - het hoofddoel van RHIC's Beam Energy Scan II.

Gezamenlijke inspanning

Het bouwen van componenten voor de detectorverbetering en het op tijd monteren ervan voor de energiezuinige botsingen die in februari begonnen, was een gezamenlijke inspanning - en een wereldwijde inspanning.

Een team van het Instituto de Física da Universidade de São Paulo in Brazilië ontwierp de belangrijkste chips voor de nieuwe signaaluitleeselektronica, die door de elektronicagroep Brookhaven Lab STAR in de eindmontage zijn verwerkt. Wetenschappers van Berkeley Lab onder leiding van Jim Thomas en Howard Wieman bereidden de mechanische onderdelen van de nieuwe sectoren voor, inclusief het "bijsnijden" van de uitlijning van de aluminium frames om te voldoen aan de ontwerpspecificaties binnen 50 micron in alle dimensies. En veel van de wijsheid en methoden van het Berkeley-team waren essentieel bij het begeleiden van de assemblage van de draadcomponenten van de sectoren door STAR-medewerkers in China.

Elk van de 24 deeltjesvolgsectoren van de iTPC bevat 1500 dunne draden die zijn gerangschikt in drie lagen die signalen versterken, een deeltjesgeleidend elektrisch veld tot stand brengen, en bepaal welke tracks worden opgenomen bij STAR. Deze draden moesten met uiterste precisie worden gemonteerd om de relatieve afstand tussen de lagen hetzelfde te houden - binnen 10 micron, of miljoensten van een meter.

"We hebben ervaring opgedaan door een klein prototype te bouwen nog voordat het ontwerp definitief was, en toen was het, we hebben een versie op ware grootte gebouwd, " zei Qinghua Xu, een natuurkundige aan de Shandong University, die de Chinese inspanning leidde. Toen ze in 2017 het eerste volledige prototype voltooiden, ze stuurden het naar Brookhaven voor een testrun.

"Voor de run van 2018, we hebben een van de oude sectoren vervangen door het nieuwe prototype, en bevestigde dat het werkte zoals verwacht, "Zei Videbaek. "Dat gaf ons het vertrouwen dat we klaar waren om de 23 andere sectoren te bouwen en te installeren."

Race tegen de klok

Het team van Brookhaven is in oktober 2018 begonnen met het installeren van sectoren.

"Het was een beetje een race met de tijd, "Zei Videbaek. "We installeerden de laatste elektronica vlak voor Kerstmis en toen, in januari, vulde de TPC met zijn argon/methaangasmengsel en begon kosmische gegevens te verzamelen, " hij zei.

De wetenschappers gebruiken kosmische straling (geladen deeltjes uit de ruimte) - die met een snelheid van ongeveer 150 per seconde door het dak komen - om de detector te kalibreren en ervoor te zorgen dat alles werkt.

Toen in februari de eerste laag-energetische botsingen plaatsvonden, het STAR-team stond klaar met een volledig functionerende nieuwe efficiënte detector.

"We zijn iedereen in het team dankbaar die heeft geholpen om deze upgrade tot een succes te maken, ' zei Videbaek.