相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)的第22次運(yùn)行將以偏振質(zhì)子的碰撞、由STAR探測器的升級組件收集的新數(shù)據(jù)以及創(chuàng)新加速器技術(shù)的測試為特色。
相對論重離子對撞機(jī)(RHIC)第22次運(yùn)行的粒子粉碎工作已經(jīng)開始。RHIC是位于美國能源部布魯克海文國家實驗室的一個周長2.4英里的粒子對撞機(jī)，作為能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施，為世界各地的核物理學(xué)家提供粒子對撞的數(shù)據(jù)。這次運(yùn)行的項目單上有：偏振質(zhì)子束之間的碰撞，其中穿插著對創(chuàng)新加速器技術(shù)的測試。在這次運(yùn)行中，RHIC最近升級的STAR探測器將在比以往更廣的角度范圍內(nèi)跟蹤碰撞產(chǎn)生的粒子。
新數(shù)據(jù)將添加到早期的 RHIC 數(shù)據(jù)集中，探索可見物質(zhì)的基本構(gòu)建塊。此外，物理研究結(jié)果、加速器測試和探測器技術(shù)將在電子離子對撞機(jī)(EIC) 中發(fā)揮重要作用，美國能源部下(DOE)一個計劃中的核物理設(shè)施，它將重新使用 RHIC 的關(guān)鍵部件。
發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的普遍特性以及它們?nèi)绾螐目淇撕湍z子(質(zhì)子內(nèi)的構(gòu)建塊)的相互作用中產(chǎn)生，是這兩個設(shè)施的核心目標(biāo)。RHIC的質(zhì)子-質(zhì)子對撞可以揭示出前所未有的細(xì)節(jié)，并預(yù)示著某些特性如何取決于夸克和膠子的動態(tài)運(yùn)動。
Elke Aschenauerenlarge的照片
領(lǐng)導(dǎo)STAR升級項目的布魯克海文實驗室物理學(xué)家Elke Aschenauer指出，新的探測器組件將如何在RHIC進(jìn)行測量，推進(jìn)我們對核子結(jié)構(gòu)的理解，并有助于為未來電子離子對撞機(jī)的測量奠定基礎(chǔ)。
“我們這次運(yùn)行的目標(biāo)基本上是用質(zhì)子 - 質(zhì)子碰撞進(jìn)行 EIC 物理學(xué)研究，”布魯克海文實驗室物理學(xué)家 Elke-Caroline Aschenauer 說，她是 STAR 合作的成員，也參與了 EIC 的實驗和科學(xué)計劃的規(guī)劃。“同時進(jìn)行 RHIC 和 EIC 的測量很重要，因為我們必須驗證在 EIC 的電子-質(zhì)子碰撞和 RHIC 的質(zhì)子-質(zhì)子事件中測量的內(nèi)容是通用的。也就是說它不取決于你用哪種探針來測量，”她解釋說。
這些測量依靠的是RHIC將質(zhì)子的 "旋轉(zhuǎn) "排列在一個向上的方向的能力。這種對準(zhǔn)，或者說偏振(一種在像RHIC這樣的對撞機(jī)中獨(dú)一無二的能力)為科學(xué)家們提供了一個方向性的參考框架，以追蹤對撞中產(chǎn)生的粒子如何移動。
“我們正在使用偏振作為研究質(zhì)子結(jié)構(gòu)的載體，尤其是 3D 結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)部粒子(夸克和膠子)如何在質(zhì)子內(nèi)部運(yùn)動，”Aschenauer 說。
運(yùn)送質(zhì)子束
布魯克海文實驗室對撞機(jī)-加速器部門 (C-AD) 的物理學(xué)家們在 RHIC 周圍引導(dǎo)光束，他們決心為 STAR 提供它所需要的東西。
今年的運(yùn)行協(xié)調(diào)人C-AD物理學(xué)家Vincent Schoefer說："對于第22次運(yùn)行，我們將專注于盡可能的高效，并在盡可能高的偏振度下進(jìn)行碰撞。”
當(dāng)我們與Schoefer交談時，他正忙著 "喚醒 "那些自第17次運(yùn)行以來就沒有使用過的設(shè)備--上次在RHIC進(jìn)行的偏振質(zhì)子碰撞。這些設(shè)備包括 "螺旋偶極子 "磁鐵，當(dāng)質(zhì)子在RHIC的雙加速器環(huán)上旋轉(zhuǎn)幾百萬圈時，它們有助于保持質(zhì)子的極化。今年的運(yùn)行將在最高的碰撞能量下進(jìn)行：每對碰撞的質(zhì)子有5000億電子伏特(GeV)。
Haixin Huang 和RHIC隧道的照片
C-AD 物理學(xué)家 Haixin Huang 和一些加速器組件，使 RHIC 的質(zhì)子束在繞 2.4 英里周長的隧道(右)時保持對齊。
C-AD 團(tuán)隊還在準(zhǔn)備“偏振儀”來測量這些質(zhì)子自旋的對齊程度。
"如果不能測量，光束有多高的偏振率也不重要。因此，偏振測量法真的很關(guān)鍵。"Schoefer說。
C-AD 中的加速器物理學(xué)家和參與依賴偏振光束進(jìn)行測量的實驗物理學(xué)家合作設(shè)計了 RHIC 偏振計。
“這項工作是自 RHIC 開始以來一直在進(jìn)行的小組之間合作類型的一個例子，”C-AD 物理學(xué)家 Haixin Huang 說。
提升偏振性
保持質(zhì)子束緊密排列有助于保持極化。它還最大限度地提高了光束交叉時發(fā)生碰撞的可能性。但是將質(zhì)子保持在一起是一個挑戰(zhàn)。
“它們都是帶正電的粒子，所以它們想要相互排斥，”Schoefer 解釋說。“把它們包裝得越緊，它們就越抗拒這種包裝。”
在加速的早期階段——在質(zhì)子達(dá)到完全碰撞能量之前，排斥力特別強(qiáng)。因此，這次運(yùn)行，C-AD 團(tuán)隊將嘗試一種技術(shù)，該技術(shù)在 RHIC 加速較大粒子時有效，但之前從未用于質(zhì)子。
Schoefer說："當(dāng)每個質(zhì)子束在助推器中仍處于低能量時，我們將把它們分成兩個，并把它們作為兩個獨(dú)立的質(zhì)子束進(jìn)行加速。"這種分裂將減輕低能量期間的一些壓力，然后我們可以將質(zhì)子束重新合并在一起，將非常密集的質(zhì)子束放入RHIC。"
期間，我們必須非常輕柔地處理質(zhì)子，所以我們不會破壞我們準(zhǔn)備好的光束。”
CA-D 團(tuán)隊還將非常仔細(xì)地計算粒子通過對撞機(jī)路徑的軌跡。這一步應(yīng)該有助于抵消加速器磁場(物理學(xué)家用來引導(dǎo)和聚焦光束)使質(zhì)子自旋偏離理想排列的趨勢。
“我們將嘗試不同的軌跡，看看我們是否可以了解導(dǎo)致這種錯位發(fā)生的原因，”Schoefer 說。
這些技術(shù)的組合現(xiàn)在正在提供高度偏振的質(zhì)子束，以便在STAR內(nèi)部進(jìn)行碰撞。
STAR升級
當(dāng)他們分析這些碰撞的結(jié)果時，STAR 物理學(xué)家將尋找出現(xiàn)在偏振質(zhì)子向上指向的方向左右的某些粒子的數(shù)量差異。
例如，他們想測試是否存在與不同顏色帶電粒子之間觀察到的吸引相互作用相反的具有類似“顏色”電荷的粒子之間的排斥相互作用。(色荷是夸克相互作用的電荷類型。)相反的力應(yīng)該對某些粒子衰變產(chǎn)物產(chǎn)生相反的方向偏好。
STAR 在 2011 年收集的數(shù)據(jù)中首次看到了這種影響的跡象，該數(shù)據(jù)于 2016年發(fā)布。對運(yùn)行 17 中收集的其他數(shù)據(jù)的初步分析表明影響很小，但具有很大的不確定性。第22次運(yùn)行將幫助STAR用更大的數(shù)據(jù)集減少這些不確定性。
此外，最近安裝的 STAR 升級將使物理學(xué)家能夠以以前無法接近的角度跟蹤探測器前后的粒子。
"這是我們預(yù)計左-右方向性偏好較大的區(qū)域，"Aschenauer說。
STAR 探測器的側(cè)視圖，插圖顯示粒子軌跡(左)和粒子探測器在碰撞中“命中”(右)。插圖的頂部顯示了與舊扇區(qū)(底部)相比，新 iTPC 扇區(qū)的覆蓋范圍。請注意新扇區(qū)如何記錄每個軌道的更多命中，尤其是靠近光束線的位置，以及更多向前和向后的角度的軌道(在插圖中更多的是在左邊和右邊)。
這些升級包括2019年安裝的內(nèi)部時間投影室(iTPC)，它在圓柱形STAR探測器的內(nèi)部區(qū)域放置了許多傳感器，靠近碰撞的粒子。然后，今年早些時候，STAR團(tuán)隊在探測器的一端外安裝了 "前向 "粒子跟蹤組件。
為了描繪這些升級如何增加 STAR 的粒子跟蹤范圍，將 STAR 想象成一個側(cè)放的桶，碰撞粒子從每一端進(jìn)入。自從 RHIC于 2000 年第一次碰撞以來，STAR 一直在跟蹤垂直于槍管周圍碰撞粒子路徑出現(xiàn)的粒子。STAR 粒子軌跡的經(jīng)典端視圖展示了這種 360 度檢測能力。但是從側(cè)面看，最初的 STAR 探測器只能跟蹤在向前或向后方向上與垂直方向成 45 度角的粒子。
來自伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的STAR合作者Zhenyu Ye說，這些升級 "擴(kuò)大了粒子可以進(jìn)入并被探測到的錐度"。Zhenyu Ye與來自臺南的國立成功大學(xué)和青島的山東大學(xué)的科學(xué)家合作，領(lǐng)導(dǎo)了安裝在STAR前端的新硅基粒子追蹤部件的設(shè)計和建造。
這些組件使科學(xué)家能夠檢測出幾乎與碰撞光束一致的粒子，包括揭示碰撞夸克能量、方向和自旋信息的粒子射流。
“這些信息對于繪制質(zhì)子內(nèi)部積木的 3D 排列至關(guān)重要，”山東大學(xué)的 Chi Yang 說。他與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和布魯克海文實驗室的同事合作，為前向跟蹤探測器構(gòu)建了額外的子探測器系統(tǒng)。
"布魯克海文實驗室物理學(xué)家Prashanth Shanmuganathan說："這些升級正好覆蓋了射流在EIC中會出現(xiàn)的角度。因此，除了增加探索彩色電荷相互作用的數(shù)據(jù)集之外，" 第22次運(yùn)行將幫助我們了解探測器技術(shù)和核子結(jié)構(gòu)的行為，以便我們能夠?qū)⑦@些知識應(yīng)用于EIC。"
左圖：安裝在 STAR 探測器一端的光束管周圍的三個硅跟蹤器探測器模塊的一個平面。閃亮的鏡面楔形排列在交替的“內(nèi)部”和“外部”位置，在光束管周圍形成一個環(huán)，每個扇區(qū)都連接到讀出電子設(shè)備。右圖：Zhenyu Ye 在插入 STAR 時間投影室 (TPC) 后檢查硅跟蹤器，它將在更靠近粒子碰撞點的位置運(yùn)行。紫色管包裹著信號讀出電纜，而透明管則將冷卻液輸送到檢測器。
冷卻質(zhì)子
除了為 STAR 的第22次運(yùn)行測量提供質(zhì)子-質(zhì)子碰撞之外，C-AD 團(tuán)隊還將花費(fèi)相當(dāng)于兩周的時間來測試一種保持高能質(zhì)子緊密堆積的技術(shù)。
保持粒子堆積對于最大化碰撞率和保持極化很重要。但是粒子擴(kuò)散或升溫是所有加速離子束的問題——從質(zhì)子到鈾核(在 RHIC 碰撞的最重離子)。
“這些離子束不會自然收縮;它們永遠(yuǎn)不會意外地變得更密集，”Schoefer 說。
這張 STAR 視圖顯示了端蓋熱量計電子設(shè)備(藍(lán)色和黑色電纜)和四個新的小條薄間隙室平面(銅色，邊緣為白色)。
因此，RHIC加速器的物理學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出各種成功的技術(shù)來保持離子束的 "冷卻"。其中一些冷卻方法涉及提供 "踢"，將粒子推到一起，而其他方法則是利用其他粒子(電子)的coo l束，從循環(huán)的離子中提取熱量。
意識到不同的冷卻技術(shù)對不同能量的不同類型粒子最有效，物理學(xué)家正在探索幾種可能在 EIC 中使用的策略。在第22次運(yùn)行中，他們將在高能偏振質(zhì)子上測試一種叫做 "相干電子冷卻"(CeC)的東西。
如上所述，CeC 中帶負(fù)電的電子不僅在溫度上被冷卻，而是發(fā)揮了更積極的作用，如上所述。它們聚集在每個帶正電的質(zhì)子周圍，形成質(zhì)子束的一個 "模子"。
“這有點像當(dāng)正畸醫(yī)生給你的牙齒做一個模具時戴上牙套，”Schoefer 說。“我們?nèi)∫粋€質(zhì)子束模型，然后稍微調(diào)整電子束以將質(zhì)子吸引到更靠近中心位置的位置。當(dāng)電子移動時，它們的電引力會拖曳質(zhì)子。”
在 36 小時的時間里，C-AD 物理學(xué)家將測試并嘗試微調(diào)該技術(shù)。
測量離子偏振
此外，在第22次運(yùn)行期間，C-AD團(tuán)隊將每兩周停止質(zhì)子加速，進(jìn)行12至16小時的加速器研發(fā)實驗。在其中一個項目中，他們將增加氦-3離子束，以研究測量質(zhì)子以外的粒子的偏振的方法。
"在RHIC，我們唯一的偏振物種是偏振質(zhì)子。但是EIC將做諸如氦-3等偏振離子的實驗。那是一個完全不同的野獸，"Schoefer說。
STAR技術(shù)支持小組的Felix Archampong、Robert Soja、William Struble和Rahul Sharma在STAR電子支持小組的支持下，完成了小條狀薄縫隙室的機(jī)械設(shè)計、建造和安裝--這里顯示的是收集數(shù)據(jù)的位置。
C-AD團(tuán)隊與物理系的 "冷QCD "小組成員合作，設(shè)計了測量這些更復(fù)雜離子的偏振的方法。
為了測量極化，物理學(xué)家通過光束噴射氣體作為目標(biāo)，并測量光束中的粒子如何散射。
“對于質(zhì)子來說，這已經(jīng)是一個挑戰(zhàn)，但至少質(zhì)子仍然是質(zhì)子。當(dāng)氦-3從一個目標(biāo)上散射時，它可能分解為兩個質(zhì)子和一個中子，或者一個質(zhì)子和一個氘核。物理系的科學(xué)家William Schmidke說："為了準(zhǔn)確地測量偏振，我們必須確定何時發(fā)生破裂，"他一直在開發(fā)偏振檢測器以進(jìn)行測量。
在第22次運(yùn)行期間，物理學(xué)家們將使用氦-3的非偏振光束來測試組件準(zhǔn)確描述散射產(chǎn)物的能力。
布魯克海文物理學(xué)家Oleg Eyser說："我們可以在不測量偏振的情況下進(jìn)行這些測試，以發(fā)展這些方法，這樣當(dāng)我們最終在EIC擁有偏振光束時，我們就能夠測量偏振了"，他是冷QCD團(tuán)隊的另一名成員。
"許多人對RHIC第22次運(yùn)行所需的探測器和加速器部件做出了重要貢獻(xiàn)。布魯克海文核與粒子物理實驗室副主任Haiyan Gao說："我們期待著令人興奮的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)機(jī)會，以及推進(jìn)我們在EIC所需的技術(shù)和物理學(xué)分析方法。
