Физики, инженеры и техники из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США завершают год ключевыми разработками детектора частиц размером с дом, который весной следующего года впервые начнет фиксировать моментальные снимки столкновений.
Ультрасовременный трехэтажный детектор весом 1000 тонн, известный как сФЕНИКС— будет точно отслеживать потоки частиц от столкновений в Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США для исследований в области ядерной физики. Это продолжающаяся модернизация эксперимента PHENIX, который собирал данные в RHIC с 2000 по 2016 год. Модернизированный, современный sPHENIX позволит ученым лучше понять свойства кварк-глюонной плазмы (QGP) — супа из субатомные частицы, которые являются внутренними строительными блоками протонов и нейтронов. Ученые хотят измерить эти частицы, чтобы узнать больше о том, как эти строительные блоки взаимодействуют, образуя видимую материю, из которой состоит наш мир.
С недавним завершением основных компонентов отслеживания частиц и проекта по картированию магнитного поля сверхпроводящего электромагнита в ядре детектора бригады sPHENIX готовятся к окончательной установке.
«Это целая хореография очень сложного процесса того, как эти оставшиеся части соединяются вместе, который будет разыгрываться в ближайшие месяцы и даст нам возможность собирать данные весной», — сказал физик-ядерщик из Брукхейвенской лаборатории и со-представитель sPHENIX Дэвид. Моррисон.
Команда ЦЕРН составила карту магнитного поля
Центральным компонентом sPHENIX является 20-тонный цилиндрический сверхпроводящий соленоидный магнит. Когда-то он был центральным элементом эксперимента под названием BaBar в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии. Экипажи перевезли его через всю страну в 2015проверил его в слабом поле в 2016 и высокого поля в 2018 году, и тщательно установлен это на sPHENIX в прошлом году.
Магнит создает точное и однородное магнитное поле — 1,4 Тесла, или примерно такое же сильное, как магнит, используемый для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Мощное поле будет искривлять траектории заряженных частиц, которые входят в число «мусора», образующегося при столкновении ядер в RHIC.
Остальные детекторы, которые вскоре будут размещены внутри барабана магнита, будут очень точно измерять положение частиц, вылетающих из этих ядерных столкновений, из которых можно получить другие свойства. Ученые стремятся «соединить точки» этих измерений, чтобы обнаружить очень небольшие различия между тремя видами «родительских» частиц, называемых ипсилонами. Данные ипсилона — лишь одно из многочисленных исследований sPHENIX в RHIC, которые прольют свет на то, как переходы QGP из горячего супа из кварки и глюоны иметь значение, как мы его знаем.
Но прежде чем можно будет установить эти последние компоненты слежения, команда sPHENIX постаралась нанести на карту магнитное поле соленоида.
«Как только вы заполните середину магнита, вы не сможете разместить внутри картографическую машину», — сказал физик из Брукхейвена Кин Йип.
Команда из CERN, европейской лаборатории физики элементарных частиц, прибыла в Брукхейвен в ноябре, чтобы решить задачу повышения точности.
«Группа детекторных технологий CERN является мировым экспертом в области магнитного картирования, — сказал Йип.
Команда ЦЕРН использовала ту же картографическую машину, которую они ранее использовали для картографирования магнита, составляющего основу эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН.
Картографическая машина, доставленная из Женевы, Швейцария, встала на прецизионные рельсы внутри барабана магнита, где еще не были установлены некоторые панели электромагнитного калориметра sPHENIX (EMCal), который будет измерять различные типы заряженных и незаряженных частиц при столкновениях RHIC. установлен. Криогенная группа из Брукхейвена Коллайдерно-ускорительный отдел использовал жидкий гелий для охлаждения соленоида сверхпроводящий кабели до 4,6 градусов Кельвина (-451,4 градусов по Фаренгейту) — температура, необходимая для создания магнитного поля. Два рычага, приводимые в движение пневматическими двигателями, вращались, как пропеллеры, для измерения магнитного поля, когда бригады перемещали машину по точкам от одного конца цилиндрического магнита к другому. (Технические специалисты установили последние сегменты EMCal вскоре после завершения проекта картирования.)
«Мы благодарим Brookhaven Lab и, в частности, людей из sPHENIX за то, что они поручили нам составить карту соленоида sPHENIX», — сказала Никола Пасифико из картографической группы ЦЕРН, в которую входили Франсуа Гарнье, Рафаэль Дампс, Притиндра Бхоумик. «Каждая картографическая кампания — это исследование и разработка. упражнении самостоятельно, представляя свои специфические проблемы.Нам понравилась поддержка очень компетентной команды на месте, что позволило нам своевременно завершить картографирование.Мы желаем sPHENIX и его команде полного успеха в своей физической программе, и до свидания до следующего картографирования в Брукхейвенской лаборатории!”
Ученые sPHENIX использовали рассчитанную карту магнитного поля соленоида для моделирования столкновений RHIC. Новые прецизионные измерения повысят точность расшифровки данных сложного эксперимента, как только он будет запущен.
«В целом, в экспериментальной физике больше информации лучше, чем меньше информации», — сказал Джон Хаггерти, физик из Брукхейвена, руководивший приобретением магнита в первые дни существования sPHENIX. «Мы можем рассчитать только то, что, по нашему мнению, мы построили, а не то, что мы могли построить непреднамеренно. Теперь у нас есть лучшая карта из возможных».
Ключевой поддетектор прибывает в Брукхейвен
Массивный магнит — не единственный важный компонент детектора, который проделал путь через всю страну к sPHENIX. Части пиксельного детектора вершин, известного как MVTX, были построены в ЦЕРНе, затем отправлены в Национальную лабораторию Лоуренса Беркли (LBNL) Министерства энергетики США для экспертной сборки, после чего благополучно прибыли в Брукхейвен в октябре. Детектор был отправлен двумя половинками для поездки по пересеченной местности протяженностью 3000 миль. Экипажи использовали грузовик со специальной подвеской и позаботились о безопасном маршруте и погодных условиях.
MVTX является одним из трех компонентов, которые будут работать вместе для измерения положения и определения импульса всех заряженных частиц, возникающих в результате столкновений RHIC. (Два других — промежуточный трекер кремниевых полос (INTT, см. ниже) и камера временной проекции (TPC), строящиеся в Университете Стоуни-Брук.
MVTX, который будет находиться в центральном ядре магнита sPHENIX, предлагает очень точный ответ на вопрос: возникла ли частица точно в результате столкновения или даже на долю ширины волоса? Оказывается, разница в таких крошечных расстояниях может иметь большое значение.
«Тысячи частиц возникают в результате наших столкновений», — объяснил Моррисон. «Некоторые из этих частиц распадаются, почти сразу же превращаясь в другие типы частиц, что составляет около 50 микрон, что примерно равно толщине пряди волоса. MVTX очень точно сообщает нам, откуда пришли частицы, с точностью около пяти микрон, поэтому мы знаем, была ли частица создана в результате самого столкновения или является продуктом такого распада».
Та часть MVTX, которая фактически производит измерения, компактна — около фута в длину, 3,5 дюйма в диаметре и весом около 3 унций. Все вместе MVTX состоит из трех перекрывающихся слоев кремниевых датчиков, которые выстилают две половины трубки из углеродного волокна. На одном конце трубка расширяется, как колокол трубы, чтобы вместить множество кабелей и волокон, которые питают детектор и считывают его.
«В этом компактном пакете содержится 300 миллионов каналов, элементов, которые могут сказать: «Я что-то видел», — сказал Эдвард О’Брайен, директор проекта sPHENIX. «Если рассматривать эти каналы как пиксели, то у MVTX в 40 раз больше пикселей, чем у вашего телевизора высокой четкости, втиснутого в пространство, которое в 20 раз меньше».
Перед установкой пиксельного детектора в начале следующего года инженеры и техники sPHENIX потренируются размещать макет этого хрупкого компонента вокруг лучевой трубы эксперимента. У них будет лишь крошечный зазор — около миллиметра — для перемещения устройства. в окончательное положение после установки других компонентов детектора. «Это как играть в игру «Операция» наоборот, — сказал Моррисон. По его словам, когда придет время установить этот последний элемент, команда sPHENIX будет готова.
Отслеживание сверхбыстрых перекрывающихся событий
Тем временем команда работает над другими компонентами отслеживания частиц.
При времени отклика 60 наносекунд —60 миллиардных секунды– INTT будет играть ключевую роль в непрерывной регистрации 15 000 столкновений частиц в секунду, что более чем в три раза быстрее, чем прежний детектор PHENIX.
INTT выполняет измерения в пространстве, где MVTX и TPC этого не делают, что позволяет физикам реконструировать полный трек частицы. Его сверхбыстрое время отклика позволяет ему различать, какие треки исходят от перекрывающихся событий, когда коллизии накапливаются.
Поддетектор был завершен в середине сентября в результате международного сотрудничества, в которое вошли техники, инженеры, постдоки и ученые из Японии, Тайваня и США. Проект финансируется в основном за счет Исследовательский центр RIKEN BNL (RBRC) с дополнительным вкладом США и других стран.
INTT состоит из четырех слоев перекрывающихся кремниевых полос, которые образуют полупроводниковый детектор частиц, основанный на обнаружении ионизирующего излучения. Слои расположены в двух половинах цилиндра длиной 10 футов. Соединить две половинки детектора для тестирования, а вскоре и для установки, было непростой задачей с множеством движущихся частей.
«Это похоже на полет на самолете 747», — сказал Рашид Нуисер, физик-ядерщик Брукхейвенской лаборатории, старший приглашенный научный сотрудник RBRC, адъюнкт-профессор Университета Стоуни-Брук и соруководитель строительства детектора INTT.
Чтобы обеспечить «безопасную посадку», сборочная команда INTT использовала машину с двумя «клешнями», которые брали каждую половинку и сжимали их вместе, в то время как техники затягивали винты и ручки вокруг устройства. Они должны были быть осторожны, чтобы не допустить трещин в силиконовых полосках. Им также необходимо было убедиться, что между перекрывающимися слоями кремния нет промежутков, чтобы детектор мог принимать все сигналы частиц, когда он работает.
«Физика всегда стремится к точности, и технологии детекторов должны идти в ногу с ней — мы хотим, чтобы детекторы были быстрее и точнее», — сказал Нуисер. «Это большое достижение – видеть, что все каналы детектора INTT работают. Теперь мы хотим заняться с ним физикой».
По мере продвижения работы над TPC, газоанализатором в Стоуни-Брук, время для физики быстро приближается. Следите за новостями об этом компоненте детектора.
«Мы находимся в самом конце сборки компонентов детектора. — сказал О’Брайен. «Мы закончили с ошибками. Перед нами стоит задача завершить установку в ближайшие несколько месяцев».
«Как видите, создание и сборка этих сложных компонентов детектора — это крупная международная работа», — сказал сопредставитель sPHENIX Гюнтер Роланд, физик из Массачусетского технологического института. «Эта работа объединяет так много великих физиков со всего мира — 80 университетов и лабораторий из 14 стран и около 400 сотрудников — чтобы воплотить концепцию этого детектора и науку, которую он сделает реальностью».
Модернизация и операции в RHIC финансируются Управлением науки Министерства энергетики США (NP).
Брукхейвенская национальная лаборатория поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Управление науки является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, посетите science.energy.gov.
Подпишитесь на @BrookhavenLab в Твиттер или найти нас на Фейсбук.
