Les physiciens, ingénieurs et techniciens du laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) terminent l’année avec des développements clés d’un détecteur de particules de la taille d’une maison qui commencera à capturer des instantanés de collision pour la première fois au printemps prochain.
Le détecteur ultramoderne de trois étages et de 1 000 tonnes, connu sous le nom de sPHENIX, suivra avec précision les particules provenant des collisions au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), une installation utilisateur du DOE Office of Science pour la recherche en physique nucléaire. . Il s’agit d’une refonte en cours de l’expérience PHENIX, qui a pris des données au RHIC de 2000 à 2016.
Le sPHENIX amélioré et à la pointe de la technologie permettra aux scientifiques de mieux comprendre les propriétés du plasma quark-gluon (QGP) – une soupe de particules subatomiques qui sont les éléments constitutifs internes des protons et des neutrons. Les scientifiques veulent mesurer ces particules pour en savoir plus sur la façon dont ces blocs de construction interagissent pour former la matière visible qui compose notre monde.
Avec l’achèvement récent des composants essentiels de suivi des particules et un projet de cartographie du champ magnétique d’un électroaimant supraconducteur au cœur du détecteur, les équipes de sPHENIX se préparent pour les installations finales.
« Il y a toute cette chorégraphie d’un processus très complexe de la façon dont ces pièces restantes vont ensemble qui va se jouer dans les prochains mois et nous mettre en forme pour prendre des données au printemps », a déclaré David, physicien nucléaire du Brookhaven Lab et co-porte-parole de sPHENIX. Morrisson.
L’équipe du CERN cartographie le champ magnétique
Un composant central de sPHENIX est un aimant solénoïde supraconducteur cylindrique de 20 tonnes. C’était autrefois la pièce maîtresse d’une expérience appelée BaBar au SLAC National Accelerator Laboratory en Californie. Les équipages l’ont transporté à travers le pays en 2015, l’ont testé à bas champ en 2016 et à haut champ en 2018, et l’ont soigneusement installé à sPHENIX l’année dernière.
L’aimant génère un champ magnétique précis et uniforme de 1,4 Tesla, soit à peu près aussi fort que l’aimant utilisé pour les scans d’imagerie par résonance magnétique (IRM). Le champ puissant courbera les trajectoires des particules chargées qui font partie des « débris » produits lors de la collision des noyaux au RHIC.
Les détecteurs restants qui seront bientôt superposés à l’intérieur du tambour de l’aimant mesureront très précisément la position des particules qui s’échappent de ces collisions nucléaires, à partir desquelles d’autres propriétés peuvent être obtenues. Les scientifiques cherchent à « connecter les points » de ces mesures pour discerner de très petites différences entre trois types de particules « parentes » appelées upsilons. Les données d’upsilon ne sont qu’une des nombreuses études avec sPHENIX au RHIC qui révéleront des indices sur la façon dont le QGP passe d’une soupe chaude de quarks et de gluons à la matière telle que nous la connaissons.
Mais avant que ces derniers composants de suivi puissent être installés, l’équipe de sPHENIX a cherché à cartographier le champ magnétique du solénoïde.
« Une fois que vous avez rempli le milieu de l’aimant, vous ne pouvez pas placer une machine de cartographie à l’intérieur », a déclaré le physicien de Brookhaven, Kin Yip.
Une équipe du CERN, le laboratoire européen de physique des particules, est venue à Brookhaven en novembre pour s’attaquer à la tâche de précision.
« Le groupe des technologies de détection du CERN est l’expert mondial de la cartographie des aimants », a déclaré Yip.
L’équipe du CERN a utilisé la même machine de cartographie qu’elle avait précédemment utilisée pour cartographier l’aimant qui constitue l’épine dorsale de l’expérience ATLAS au Grand collisionneur de hadrons du CERN.
La machine de cartographie, expédiée de Genève, en Suisse, s’insère dans des rails de précision à l’intérieur du tambour de l’aimant, où certains panneaux du calorimètre électromagnétique sPHENIX (EMCal) – qui mesurera différents types de particules chargées et non chargées dans les collisions RHIC – n’avaient pas encore été installée. Le groupe cryogénique du département Collider-Accelerator de Brookhaven a utilisé de l’hélium liquide pour refroidir les câbles supraconducteurs du solénoïde à 4,6 degrés Kelvin (-451,4 degrés Fahrenheit), la température nécessaire pour générer le champ magnétique. Deux bras actionnés par des moteurs pneumatiques tournaient comme des hélices pour mesurer le champ magnétique alors que les équipages faisaient avancer la machine le long de points d’une extrémité à l’autre de l’aimant cylindrique. (Les techniciens ont installé les derniers segments EMCal peu après la fin du projet de cartographie.)
« Nous remercions Brookhaven Lab et en particulier les gens de sPHENIX de nous avoir confié la cartographie du solénoïde sPHENIX », a déclaré Nicola Pacifico du groupe de cartographie du CERN, qui comprenait François Garnier, Raphael Dumps, Pritindra Bhowmick. « Chaque campagne de cartographie est un exercice de R&D à part entière, présentant ses enjeux spécifiques. Nous avons bénéficié de l’accompagnement d’une équipe très compétente sur place, ce qui nous a permis de réaliser la cartographie dans les meilleurs délais. Nous souhaitons à sPHENIX et à son équipe plein succès dans son programme de physique, et au revoir jusqu’à la prochaine cartographie au Brookhaven Lab. »
Les scientifiques de sPHENIX avaient utilisé une carte calculée du champ magnétique du solénoïde pour exécuter des simulations de collision RHIC. Les nouvelles mesures de précision augmenteront la précision du déchiffrement des données de l’expérience complexe une fois qu’elle sera opérationnelle.
« En général, en physique expérimentale, plus d’informations valent mieux que moins d’informations », a déclaré John Haggerty, un physicien de Brookhaven qui a dirigé l’acquisition de l’aimant au début de sPHENIX. « Nous ne pouvons calculer que ce que nous pensons avoir construit, pas ce que nous avons pu construire par inadvertance. Maintenant, nous avons la meilleure carte possible. »
Le sous-détecteur de clé arrive à Brookhaven
L’aimant massif n’est pas le seul composant majeur du détecteur à avoir traversé le pays jusqu’à sPHENIX. Des pièces d’un détecteur de vertex à base de pixels connu sous le nom de MVTX ont été construites au CERN, puis expédiées au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) du DOE en Californie pour être assemblées par des experts, avant d’arriver en toute sécurité à Brookhaven en octobre. Le détecteur a été expédié en deux moitiés pour le voyage de 3 000 milles à travers le pays. Les équipages ont utilisé un camion avec une suspension spéciale et ont pris soin de considérer un itinéraire sûr et les conditions météorologiques.
Le MVTX est l’un des trois composants qui fonctionneront ensemble pour mesurer la position afin de déterminer l’élan de toutes les particules chargées émergeant des collisions du RHIC. (Les deux autres sont un Intermediate Silicon Strip Tracker (INTT, voir ci-dessous) et une Time Projection Chamber (TPC) en cours de construction à l’Université de Stony Brook.
Le MVTX, qui sera placé dans le noyau central de l’aimant sPHENIX, offre une réponse très précise à la question : une particule est-elle venue exactement de la collision ou même à une fraction de la largeur d’un cheveu ? Il s’avère que des différences de si petites distances peuvent faire une grande différence.
« Des milliers de particules sortent de nos collisions », a expliqué Morrison. « Certaines de ces particules se désintègrent, se transformant presque immédiatement en d’autres types de particules, ce qui fait peut-être 50 microns, soit l’épaisseur d’une mèche de cheveux. MVTX nous indique extrêmement précisément d’où viennent les particules, avec une précision d’environ cinq microns, nous savons donc si la particule a été créée lors de la collision elle-même ou si elle est le produit d’une telle désintégration. »
La partie du MVTX qui effectue réellement les mesures est compacte – environ un pied de long, 3,5 pouces de diamètre et pesant environ 3 onces. Au total, MVTX est composé de trois couches superposées de capteurs en silicium, qui tapissent deux moitiés d’un tube en fibre de carbone. À une extrémité, le tube s’élargit comme la cloche d’une trompette pour s’adapter à de nombreux câbles et fibres qui alimentent et lisent le détecteur.
« Dans ce package compact, il y a 300 millions de canaux, des éléments qui peuvent dire » J’ai vu quelque chose « », a déclaré Edward O’Brien, le directeur du projet sPHENIX. « Si nous considérons ces canaux comme des pixels, MVTX a un facteur de 40 de plus. pixels que votre téléviseur haute définition entassé dans un espace plus de 20 fois plus petit. »
Avant d’installer le détecteur à base de pixels au début de l’année prochaine, les ingénieurs et techniciens de sPHENIX s’entraîneront à placer une maquette de ce composant délicat autour du tube de faisceau de l’expérience. dans sa position finale après l’installation des autres composants du détecteur. « C’est comme jouer au jeu » Opération « à l’envers », a déclaré Morrison. Quand viendra le temps de mettre cette dernière pièce en place, dit-il, l’équipe du sPHENIX sera prête.
Suivi ultra-rapide des événements qui se chevauchent
Pendant ce temps, l’équipe progresse sur ces autres composants de suivi des particules.
Avec un temps de réponse de 60 nanosecondes, soit 60 milliardièmes de seconde, l’INTT jouera un rôle clé dans la capture d’instantanés continus de 15 000 collisions de particules par seconde, plus de trois fois plus rapides que l’ancien détecteur PHENIX.
L’INTT prend des mesures dans l’espace où MVTX et TPC ne le font pas, permettant aux physiciens de reconstruire une trajectoire complète des particules. Son temps de réponse ultra-rapide lui permet de distinguer quelles pistes proviennent d’événements qui se chevauchent lorsque les collisions s’accumulent.
Le sous-détecteur a été achevé à la mi-septembre par une collaboration internationale qui comprenait des techniciens, des ingénieurs, des post-doctorants et des scientifiques du Japon, de Taïwan et des États-Unis.
L’INTT se compose de quatre couches de bandes de silicium superposées qui forment un détecteur de particules à semi-conducteur basé sur la détection des rayonnements ionisants. Les couches se trouvent dans les deux moitiés d’un cylindre de 10 pieds de long. Rassembler les deux moitiés du détecteur pour les tests, et bientôt l’installation, était une tâche délicate avec de nombreuses pièces mobiles.
« C’est comme piloter un avion 747 », a déclaré Rachid Nouicer, physicien nucléaire du Brookhaven Lab, chercheur invité principal du RBRC, professeur adjoint à l’Université de Stony Brook et codirecteur de la construction du détecteur INTT.
Pour assurer un « atterrissage en toute sécurité », l’équipe d’assemblage de l’INTT a utilisé une machine avec deux « griffes » qui ramassaient chaque moitié et les pressaient ensemble pendant que les techniciens serraient les vis et les boutons autour de l’appareil. Ils devaient faire attention à éviter toute fissure dans les bandes de silicium. Ils devaient également s’assurer qu’il n’y avait pas d’espace entre les couches de silicium qui se chevauchent afin que le détecteur puisse recevoir tous les signaux de particules lorsqu’il est opérationnel.
« La physique évolue toujours vers la précision et la technologie des détecteurs doit suivre le rythme – nous voulons que les détecteurs soient plus rapides et plus précis », a déclaré Nouicer. « C’est une grande réussite de voir tous les canaux du détecteur INTT fonctionner. Maintenant, nous voulons faire de la physique avec. »
Alors que les travaux progressent sur le TPC, un détecteur de suivi de gaz, à Stony Brook, le temps de la physique approche à grands pas. Restez à l’écoute pour une autre mise à jour sur ce composant de détecteur.
« Nous sommes juste à la fin de la construction des composants du détecteur. O’Brien a déclaré. « Nous avons terminé dans les erreurs. Le défi qui nous attend est de terminer l’installation dans les prochains mois »
« Comme vous pouvez le voir, la construction et l’assemblage de ces composants complexes de détecteurs représentent un effort international majeur », a déclaré le co-porte-parole de sPHENIX, Gunther Roland, physicien au Massachusetts Institute of Technology. « Ce travail rassemble tant de grands physiciens du monde entier – 80 universités et laboratoires de 14 pays et près de 400 collaborateurs – pour faire de la vision de ce détecteur et de la science qu’il permettra une réalité. »