Net voor de start van de run van dit jaar bij de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science voor kernfysisch onderzoek in het Brookhaven National Laboratory van DOE - een team van wetenschappers, ingenieurs, technici, en studenten voltooiden de installatie van belangrijke nieuwe componenten van de STAR-detector van de versneller. Deze deeltjesvolger ter grootte van een huis (de Solenoidal Tracker van RHIC) legt het subatomaire puin vast dat ontstaat wanneer atoomkernen botsen, zodat wetenschappers meer te weten kunnen komen over de bouwstenen van materie. De nieuwe componenten zullen het vermogen van STAR vergroten om deeltjesstralen te volgen die in een extreem "voorwaartse" richting komen, dat wil zeggen dicht bij de bundellijn waardoor de deeltjes reizen terwijl ze botsen.

Voorwaartse jetdetectie zal belangrijk zijn om te leren hoe de interne componenten van protonen en neutronen - quarks en gluonen - bijdragen aan de algemene eigenschappen van deze bouwstenen van materie.

"Jets zijn uitstekende surrogaten voor quarks en gluonen, " zei Brookhaven Lab-natuurkundige Elke-Caroline Aschenauer, die de STAR voorwaartse upgrade leidt. "Als je de energie meet van alle deeltjes waaruit een straal bestaat, dan weet je eigenlijk alles over de quark of gluon die die jet tijdens de botsing produceerde - zijn energie, richting, en draaien." Door veel jets te meten, kunnen wetenschappers de 3D-structuur van het proton in kaart brengen, inclusief de rangschikking en spin van de quarks en gluonen binnenin.

De nieuwe apparatuur zal niet worden gebruikt voor natuurkundige metingen tot volgend jaar de RHIC-experimenten met hoge energie. Maar als de belangrijkste componenten - twee soorten calorimeters - zijn geïnstalleerd voor de energiezuinige run van dit jaar, krijgen natuurkundigen de kans om de apparatuur te kalibreren en eventuele knikken op te lossen.

"We kunnen deze tijd gebruiken om alle data-acquisitiesystemen draaiende te krijgen, test de uitleeskanalen, en onze trigger-setup in bedrijf stellen" - het systeem dat beslist, in een fractie van een seconde, welke botsingen te registreren en welke te gooien, aldus Aschenauer.

Gescheiden door ruimte en tijd

Het was geen geringe taak om de deadline voor de start van de RHIC-run van dit jaar te halen te midden van een wereldwijde pandemie.

"We wilden dat veel academische 'gebruikers' van het STAR-experiment en hun studenten naar Brookhaven zouden gaan om de componenten te monteren en te installeren, maar met Covid, dat werd heel ingewikkeld, " zei Oleg Tsai, een STAR-gebruiker van UCLA en de creatieve geest achter het ontwerp van de voorwaartse detector.

In plaats daarvan, het project ging vooruit als een samenwerking gescheiden door ruimte en tijd.

"STAR-gebruikers aan universiteiten in het hele land werkten aan het bouwen en testen van componenten met studenten, waaronder sommigen die te ver van huis woonden om tijdens de lockdown te reizen, ' zei Tsai.

Om sociale afstand te bewaren, "we splitsen ons natuurlijk op in ochtend- en middaggroepen, " zei David Kapukchyan, een afgestudeerde student die hielp bij het monteren van componenten aan de Universiteit van Californië, Rivieroever. "We moesten aantekeningen voor elkaar achterlaten, zodat elke groep wist wat ze moesten doen voor hun tijd in het lab."

"Deze ervaring heeft me veel inzicht gegeven in hoe detectoren van dit formaat samenkomen en hoeveel werk het kost om ze te bouwen, " hij voegde toe.

Dat voldeed aan een belangrijk doel voor Scott Wissink, een STAR-gebruiker en hoogleraar natuurkunde aan de Indiana University, die het voorstel coördineerde om dit werk te financieren via het Major Research Instrumentation (MRI) -programma van de National Science Foundation, die specifiek ondersteuning van studentenparticipatie omvatte aan de tien universiteiten die deel uitmaakten van het projectconsortium.

"Naast het kopen van materialen en apparatuur, we vroegen ook fondsen om het benodigde technische personeel aan de afzonderlijke universiteiten te ondersteunen, en vooral om studenten de mogelijkheid te bieden om betrokken te raken bij het testen en assembleren van de componenten, " zei hij. "Deze ervaring zal er niet alleen voor zorgen dat we de juiste apparatuur hebben om de metingen uit te voeren, maar zal ze ook voorbereiden om de volgende generatie natuurkundige experimenten te leiden."

Geassisteerde montage

"De stukken werden geproduceerd en geleverd van overal ter wereld - Indiana, Pennsylvania, Californië, Illinois, Texas, zelfs China en Japan. Toen we geen wc-papier konden krijgen, kregen we scintillatoren, "Aschenauer merkte op, beschrijft speciaal plastic dat lichtdeeltjes detecteert. Vervolgens moesten alle onderdelen - tienduizenden componenten - op een Lego-achtige manier worden geassembleerd en geïnstalleerd, laag voor laag, ze zei.

Sommige studenten konden uiteindelijk helpen.

"Ik had plannen om naar Brookhaven te komen voor mijn doctoraatsstudies voordat de COVID-pandemie toesloeg, " zei Erik Loyd, een andere student aan UC Riverside. "Hoewel mijn reis aanvankelijk vertraagd was, Uiteindelijk ben ik naar New York verhuisd en een maand in quarantaine geplaatst voordat ik naar het Lab kwam om te helpen met de installatie."

Maar met veel minder studenten dan in normale tijden, de projectleiders wendden zich tot technici in de Brookhaven's Beam &Experimental Services (B&ES) groep en de Collider-Accelerator Support (CAS) groep voor extra assistentie.

Brendan Hoy, lid van CAS, merkte op dat de 24-uurstaken van zijn groep doorgaans bestaan ​​uit het reageren op realtime apparatuurproblemen - het oplossen van problemen en het uitvoeren van correctief onderhoud aan zaken als voedingen en magneten - en het bouwen, installeren, en het onderhouden van diverse elektronische systemen rondom het complex. "Het werk dat we doen met het onderhouden van STAR-voedingen en de elektronica-gerichte aard van mijn regelmatig toegewezen taken die zijn toegewezen aan deze detector, zijn zeer goed geïnstalleerd, ' zei hij. 'Gezien de unieke moeilijke omstandigheden die 2020 ons allemaal heeft gebracht, Ik vond de kans om aan een project te werken buiten de normale reikwijdte van mijn rol een welkome mogelijkheid."

"De technici van de Collider-Accelerator Department (CAD), werken met de STAR Technical Support Group, heeft uitstekend werk geleverd door de calorimeters en hun ondersteunende structuren te installeren, " zei Rahul Sharma, hoofdingenieur van STAR. "Het werk ging twee keer zo snel als oorspronkelijk verwacht, met groepen die in afwisselende diensten in de ochtend en middag werken om meerdere lagen van de detectorblokken te stapelen. Het was een echte uitdaging om dit alles meer dan drie maanden te coördineren om de installatie te voltooien."

"We moesten veel uitdagingen overwinnen bij het bouwen van deze detectoren op zo'n krappe locatie en tijdsbestek, " zei Travis Herbst, een monteur in B&ES. "Vanwege de beperkte ruimte we moesten een tijdelijke transportband installeren waarmee we bijna 10, 000 stalen absorptieblokken met een gewicht van 15 ton en 20, 000 pinnen gebruikten om ze onder de bundellijn bij elkaar te houden, zodat we de detectoren aan beide kanten konden bouwen."

Adriaan Timon, een andere B&ES monteur, toegevoegd:"We moesten ook sociale afstand bewaren tijdens alle werkuren die nodig waren om de detector te installeren, terwijl we alle blokken en pinnen inspecteerden en ontdaan van vuil of vervorming, omdat dergelijke defecten problemen kunnen veroorzaken met de interne structuur van de detector."

"Het meest verbazingwekkende voor mij waren al deze kleine details die je niet leest in een leerboek wanneer ze deze calorimeters beschrijven, " zei Kapukchyan van UC Riverside, die ook naar Long Island reisde voor de vergadering. "Je leest over de fysica van hoe deeltjes energie verliezen en hoe je dit kunt berekenen, maar al deze kleine constructiedetails, zoals het correct afrollen van kabels, zijn weggelaten. Betrokken zijn [door alle fasen van dit project] was een geweldige ervaring voor mij en zal me zeker helpen bij mijn toekomstige inspanningen, " hij zei.

Wetenschap vooruit stuwen

De nu complete Lego-achtige calorimeter-assemblages zullen worden samengevoegd, na de run van dit jaar, door een paar extra componenten - twee soorten volgdetectoren voor het onderscheiden van deeltjes met verschillende elektrische ladingen. Het hele systeem zal dan klaar zijn om natuurkundige gegevens te verzamelen in de RHIC-run van 2022.

Gepositioneerd aan het ene uiteinde van de tonvormige tijdprojectiekamer van de STAR-detector, de calorimeters en trackers zullen jets vangen die verschijnen onder hoeken die zeer dicht bij de bundellijn van RHIC liggen, die aan dat uiteinde van de loop uitkomt. Het bestuderen van die specifieke jets is belangrijk omdat ze wetenschappers toegang geven tot de quarks en gluonen die ofwel een zeer hoog of een zeer laag percentage van het totale momentum van het proton (of de kern) dragen.

Jets geproduceerd door verstrooiing van de drie belangrijkste valentie-quarks waaruit een proton bestaat, dragen een groot percentage van het totale momentum van het deeltje. Maar een proton is veel complexer dan die drie hoofdquarks. Binnenin is er een krioelende microkosmos van quark- en antiquarkparen die in en uit het bestaan ​​flitsen. Gluonen - toepasselijk genoemd omdat ze de quarks aan elkaar lijmen - zijn nog mysterieuzer. Ze splitsen en vermenigvuldigen zich en, bij hoge energieën, kan de structuur van het proton volledig domineren. Elk van deze gluonen draagt ​​een klein percentage van het totale momentum van het proton. Maar omdat het er zo veel zijn, wetenschappers geloven dat hun gecombineerde invloed een buitensporige rol speelt bij het vaststellen van de eigenschappen van het proton. Vandaar de motivatie om jets te bestuderen die worden gegenereerd door deze "low-momentum-fractie" gluonen.

"Deze metingen zullen ons helpen bij het zoeken naar bewijs dat de goudionen die we bij RHIC botsen, dichte muren van gluonen worden, en dat deze verzadigde toestand van gluonen verantwoordelijk is voor belangrijke eigenschappen zoals protonspin en massa, zoals gesuggereerd door veel van de bevindingen die we al hebben waargenomen bij RHIC, ' zei Aschenauer.

De metingen zullen ook helpen om de basis te leggen voor jet-tracking bij de toekomstige Electron-Ion Collider (EIC). De EIC is een nieuwe ultramoderne DOE-kernfysica-faciliteit die zal worden gebouwd in Brookhaven Lab in samenwerking met Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) om het bereik van wetenschappers naar de grenzen van de kernfysica te vergroten.

"Het ontwerp van de hadronische calorimeter waar we het over hebben voor de EIC heeft componenten die in principe identiek zijn aan degene die deel uitmaakt van deze upgrade, zodat een deel van dit project dient als prototype voor toekomstige EIC-detectorcomponenten, ' zei Aschenauer.