Physiker, Ingenieure und Techniker am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) runden das Jahr mit wichtigen Entwicklungen für einen hausgroßen Teilchendetektor ab, der im nächsten Frühjahr zum ersten Mal Kollisionsschnappschüsse aufnehmen wird.
Der hochmoderne, dreistöckige, 1.000 Tonnen schwere Detektor – bekannt als sPHENIX – wird Partikel, die von Kollisionen am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science für kernphysikalische Forschung, strömen, genau verfolgen . Es ist eine laufende Überarbeitung des PHENIX-Experiments, das von 2000 bis 2016 Daten am RHIC aufgenommen hat.
Das verbesserte, hochmoderne sPHENIX wird es Wissenschaftlern ermöglichen, die Eigenschaften von Quark-Gluon-Plasma (QGP) besser zu verstehen – einer Suppe aus subatomaren Teilchen, die die inneren Bausteine von Protonen und Neutronen sind. Wissenschaftler wollen diese Partikel messen, um mehr darüber zu erfahren, wie diese Bausteine interagieren, um die sichtbare Materie zu bilden, aus der unsere Welt besteht.
Mit der kürzlichen Fertigstellung wesentlicher Komponenten zur Partikelverfolgung und einem Projekt zur Kartierung des Magnetfelds eines supraleitenden Elektromagneten im Kern des Detektors bereiten sich die sPHENIX-Crews auf die endgültigen Installationen vor.
„Es gibt diese ganze Choreografie eines sehr komplizierten Prozesses, wie diese verbleibenden Teile zusammenpassen, die sich in den nächsten Monaten abspielen und uns in Form bringen werden, um im Frühjahr Daten zu sammeln“, sagte David, Nuklearphysiker von Brookhaven Lab und Co-Sprecher von sPHENIX Morrison.
CERN-Crew kartiert Magnetfeld
Eine zentrale Komponente von sPHENIX ist ein 20 Tonnen schwerer zylindrischer supraleitender Solenoidmagnet. Es war einst das Herzstück eines Experiments namens BaBar am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien. Die Crews transportierten es 2015 durch das Land, testeten es 2016 im Low-Field und 2018 im High-Field und installierten es letztes Jahr sorgfältig bei sPHENIX.
Der Magnet erzeugt ein präzises und gleichmäßiges Magnetfeld – 1,4 Tesla oder etwa so stark wie der Magnet, der für Magnetresonanztomographie (MRT)-Scans verwendet wird. Das starke Feld wird die Bahnen geladener Teilchen krümmen, die zu den „Trümmern“ gehören, die entstehen, wenn Kerne bei RHIC kollidieren.
Die verbleibenden Detektoren, die demnächst in die Trommel des Magneten geschichtet werden, werden sehr genau die Position der Teilchen messen, die aus diesen nuklearen Zertrümmerungen strömen, woraus andere Eigenschaften gewonnen werden können. Wissenschaftler versuchen, die Punkte dieser Messungen zu „verbinden“, um sehr kleine Unterschiede zwischen drei Arten von „Eltern“-Partikeln, den Ypsilonen, zu erkennen. Die Ypsilon-Daten sind nur eine von zahlreichen Studien mit sPHENIX am RHIC, die Hinweise darauf geben werden, wie QGP von einer heißen Suppe aus Quarks und Gluonen zu Materie, wie wir sie kennen, übergeht.
Doch bevor diese letzten Tracking-Komponenten installiert werden können, versuchte die sPHENIX-Crew, das Magnetfeld des Solenoids zu kartieren.
„Sobald Sie die Mitte des Magneten gefüllt haben, können Sie keine Kartierungsmaschine darin platzieren“, sagte der Brookhaven-Physiker Kin Yip.
Ein Team von CERN, Europas Labor für Teilchenphysik, kam im November nach Brookhaven, um die Präzisionsaufgabe anzugehen.
„Die Gruppe für Detektortechnologien des CERN ist der weltweite Experte für Magnetkartierung“, sagte Yip.
Das CERN-Team verwendete dieselbe Kartierungsmaschine, mit der es zuvor den Magneten kartiert hatte, der das Rückgrat des ATLAS-Experiments am Large Hadron Collider des CERN bildet.
Die Kartierungsmaschine, die aus Genf in der Schweiz geliefert wurde, passte in Präzisionsschienen innerhalb der Trommel des Magneten, wo einige Platten des elektromagnetischen Kalorimeters (EMCal) von sPHENIX – das verschiedene Arten von geladenen und ungeladenen Teilchen bei RHIC-Kollisionen messen wird – noch nicht waren Eingerichtet. Die kryogene Gruppe der Collider-Accelerator-Abteilung von Brookhaven verwendete flüssiges Helium, um die supraleitenden Kabel des Solenoids auf 4,6 Grad Kelvin (-451,4 Grad Fahrenheit) zu kühlen – die Temperatur, die zur Erzeugung des Magnetfelds erforderlich ist. Zwei Arme, die von luftbetriebenen Motoren angetrieben wurden, drehten sich wie Propeller, um das Magnetfeld zu messen, während die Besatzungen die Maschine entlang von Punkten von einem Ende des zylindrischen Magneten zum anderen bewegten. (Techniker installierten die letzten EMCal-Segmente kurz nach Abschluss des Kartierungsprojekts.)
„Wir danken Brookhaven Lab und insbesondere den Mitarbeitern von sPHENIX, dass sie uns mit der Kartierung des sPHENIX-Solenoids beauftragt haben“, sagte Nicola Pacifico von der Kartierungsgruppe des CERN, zu der Francois Garnier, Raphael Dumps und Pritindra Bhowmick gehörten. „Jede Mapping-Kampagne ist für sich genommen eine F&E-Übung mit ihren spezifischen Herausforderungen. Wir haben die Unterstützung eines sehr kompetenten Teams vor Ort genossen, das es uns ermöglichte, die Kartierung zeitnah abzuschließen. Wir wünschen sPHENIX und seinem Team viel Erfolg dabei sein Physikprogramm und au revoir bis zur nächsten Kartierung im Brookhaven Lab.“
Wissenschaftler von sPHENIX hatten eine berechnete Karte des Magnetfelds des Solenoids verwendet, um RHIC-Kollisionssimulationen durchzuführen. Die neuen Präzisionsmessungen werden die Genauigkeit der Entschlüsselung von Daten aus dem komplexen Experiment erhöhen, sobald es läuft.
„Im Allgemeinen sind in der Experimentalphysik mehr Informationen besser als weniger Informationen“, sagte John Haggerty, ein Physiker aus Brookhaven, der die Anschaffung des Magneten in den frühen Tagen von sPHENIX leitete. „Wir können nur das berechnen, was wir glauben, gebaut zu haben, nicht das, was wir versehentlich gebaut haben. Jetzt haben wir die bestmögliche Karte.“
Schlüssel-Subdetektor trifft in Brookhaven ein
Der massive Magnet ist nicht die einzige wichtige Detektorkomponente, die einen querfeldeinen Weg zu sPHENIX hinter sich hat. Teile eines pixelbasierten Vertex-Detektors namens MVTX wurden am CERN gebaut und dann zur fachmännischen Montage an das Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) des DOE in Kalifornien geliefert, bevor sie im Oktober sicher in Brookhaven eintrafen. Der Detektor wurde für die 3.000 Meilen lange Überlandfahrt in zwei Hälften versandt. Die Besatzungen verwendeten einen Lkw mit Spezialfederung und achteten auf eine sichere Route und Wetterbedingungen.
Das MVTX ist eine von drei Komponenten, die zusammenarbeiten werden, um die Position zu messen, um den Impuls aller geladenen Teilchen zu bestimmen, die aus den Kollisionen von RHIC hervorgehen. (Die anderen beiden sind ein Intermediate Silicon Strip Tracker (INTT, siehe unten) und eine Time Projection Chamber (TPC), die an der Stony Brook University gebaut werden.
Das MVTX, das im zentralen Kern des sPHENIX-Magneten sitzen wird, bietet eine sehr genaue Antwort auf die Frage: Kam ein Teilchen genau von der Kollision oder sogar nur einen Bruchteil einer Haaresbreite entfernt? Es stellt sich heraus, dass Unterschiede in solch winzigen Entfernungen einen großen Unterschied machen können.
„Tausende von Teilchen entstehen bei unseren Kollisionen“, erklärte Morrison. „Einige dieser Partikel zerfallen und verwandeln sich fast sofort in andere Arten von Partikeln – was sie vielleicht 50 Mikrometer groß macht, etwa die Dicke einer Haarsträhne. MVTX sagt uns extrem genau, woher die Partikel stammen, mit einer Genauigkeit von etwa fünf Mikrometern. Wir wissen also, ob das Teilchen bei der Kollision selbst entstanden ist oder ein Produkt eines solchen Zerfalls ist.“
Der Teil von MVTX, der tatsächlich Messungen durchführt, ist kompakt – etwa 30 cm lang, 3,5 Zoll im Durchmesser und etwa 3 Unzen schwer. Insgesamt besteht MVTX aus drei überlappenden Schichten von Siliziumsensoren, die zwei Hälften eines Kohlefaserrohrs auskleiden. An einem Ende erweitert sich die Röhre wie die Glocke einer Trompete, um viele Kabel und Fasern aufzunehmen, die den Detektor mit Strom versorgen und auslesen.
„In diesem kompakten Paket gibt es 300 Millionen Kanäle, Elemente, die sagen können: „Ich habe etwas gesehen“, sagte Edward O’Brien, der Projektleiter von sPHENIX. „Wenn wir uns diese Kanäle als Pixel vorstellen, hat MVTX einen Faktor von 40 mehr Pixel als Ihr HD-Fernseher, zusammengepfercht in einem Raum, der über 20-mal kleiner ist.“
Vor der Installation des pixelbasierten Detektors Anfang nächsten Jahres werden die Ingenieure und Techniker von sPHENIX üben, ein Modell dieser empfindlichen Komponente um das Strahlrohr des Experiments zu platzieren. Sie haben nur einen winzigen Abstand – etwa einen Millimeter – um das Gerät zu verschieben in seine endgültige Position bringen, nachdem die anderen Detektorkomponenten installiert wurden. „Es ist, als würde man das Spiel ‚Operation‘ rückwärts spielen“, sagte Morrison. Wenn es an der Zeit ist, das letzte Stück an Ort und Stelle zu bringen, sagt er, wird die sPHENIX-Crew bereit sein.
Verfolgung superschneller, sich überschneidender Ereignisse
In der Zwischenzeit macht das Team Fortschritte bei diesen anderen Partikelverfolgungskomponenten.
Mit einer Reaktionszeit von 60 Nanosekunden – 60 Milliardstel Sekunden – wird das INTT der Schlüssel zur Erfassung kontinuierlicher Momentaufnahmen von 15.000 Teilchenkollisionen pro Sekunde sein, mehr als dreimal schneller als der frühere PHENIX-Detektor.
Das INTT misst in dem Raum, in dem MVTX und TPC dies nicht tun, sodass Physiker eine vollständige Teilchenspur rekonstruieren können. Seine superschnelle Reaktionszeit ermöglicht es ihm, zu unterscheiden, welche Spuren von überlappenden Ereignissen stammen, wenn sich Kollisionen häufen.
Der Sub-Detektor wurde Mitte September von einer internationalen Zusammenarbeit fertiggestellt, der Techniker, Ingenieure, Postdocs und Wissenschaftler aus Japan, Taiwan und den USA angehörten
Das INTT besteht aus vier Schichten überlappender Siliziumstreifen, die einen Halbleiter-Partikeldetektor bilden, der auf der Detektion ionisierender Strahlung basiert. Die Schichten sitzen in zwei Hälften eines 10 Fuß langen Zylinders. Das Zusammenbringen der beiden Hälften des Detektors zum Testen und bald auch zur Installation war eine knifflige Aufgabe mit vielen beweglichen Teilen.
„Es ist, als würde man ein 747-Flugzeug fliegen“, sagte Rachid Nouicer, Nuklearphysiker am Brookhaven Lab, leitender Gastwissenschaftler am RBRC, außerordentlicher Professor an der Stony Brook University und Co-Manager des INTT-Detektorbaus.
Um eine „sichere Landung“ zu gewährleisten, verwendete das INTT-Montageteam eine Maschine mit zwei „Klauen“, die jede Hälfte aufhoben und zusammenpressten, während Techniker Schrauben und Knöpfe rund um das Gerät festzogen. Sie mussten vorsichtig sein, um Risse in den Silikonstreifen zu vermeiden. Sie mussten auch sicherstellen, dass es keine Lücken zwischen überlappenden Siliziumschichten gibt, damit der Detektor alle Partikelsignale empfangen kann, wenn er in Betrieb ist.
„Die Physik bewegt sich immer in Richtung Präzision, und die Detektortechnologie muss damit Schritt halten – wir wollen, dass die Detektoren schneller und präziser sind“, sagte Nouicer. „Es ist eine großartige Leistung zu sehen, dass alle Kanäle des INTT-Detektors funktionieren. Jetzt wollen wir damit Physik betreiben.“
Während die Arbeiten am TPC, einem Gasverfolgungsdetektor, in Stony Brook voranschreiten, rückt die Zeit der Physik schnell näher. Bleiben Sie dran für ein weiteres Update zu dieser Detektorkomponente.
„Wir sind ganz am Ende der Konstruktion der Detektorkomponenten“, sagte O’Brien. „Wir sind innerhalb der Fehlergrenzen fertig. Die bevorstehende Herausforderung besteht darin, die Installation in den nächsten Monaten abzuschließen.“
„Wie Sie sehen können, ist die Konstruktion und Montage dieser komplexen Detektorkomponenten eine große internationale Anstrengung“, sagte Gunther Roland, Co-Sprecher von sPHENIX, Physiker am Massachusetts Institute of Technology. „Diese Arbeit bringt so viele großartige Physiker aus der ganzen Welt zusammen – 80 Universitäten und Labore aus 14 Ländern und fast 400 Mitarbeiter – um die Vision für diesen Detektor und die Wissenschaft, die er ermöglichen wird, Wirklichkeit werden zu lassen.“