Les membres de la collaboration STAR dans la salle de contrôle STAR en poste pendant la course de physique de cette année, avec l'interface utilisateur graphique du détecteur de plan d'événement de STAR et les traces de particules dans la chambre de projection temporelle affichée derrière eux :avant, De gauche à droite :le chef d'équipe Carl Gagliardi de la Texas A&M University avec le stagiaire chef d'équipe Prashanth Shanmuganathan, un associé postdoctoral à l'Université Lehigh; arrière, De gauche à droite :Joseph Adams, étudiant diplômé de l'Ohio State University et Raghav Kunnawalkam Elayavalli, chercheur postdoctoral à la Wayne State University. Adams et Shanmuganathan ont travaillé à la construction du détecteur de plan d'événement et servent d'experts en détecteurs ; Kunnawalkam Elayavalli a contrôlé le détecteur de plan d'événement pendant la prise de données STAR en tant que stagiaire opérateur de détecteur. Crédit :Département américain de l'énergie
Les premiers smashups de deux nouveaux types de particules au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) - une installation utilisateur du bureau des sciences du département américain de l'Énergie (DOE) pour la recherche en physique nucléaire au laboratoire national de Brookhaven - offriront un nouvel aperçu des effets du magnétisme sur la boule de feu de matière créée dans ces collisions. La réalisation de cet objectif principal de la course de 15 semaines de la 18e année du RHIC s'appuiera sur plus d'une décennie d'expertise accumulée, améliorations des composants du collisionneur et du détecteur, et un effort de collaboration avec des partenaires à travers le complexe du DOE et dans le monde.
Les physiciens effectueront également deux types différents de collisions avec des ions d'or à basse énergie, y compris les collisions d'ions d'or avec une cible stationnaire. Ces collisions aideront les scientifiques à mieux comprendre la matière exotique créée dans les collisions à plus haute énergie du RHIC, y compris la force de son champ magnétique et la façon dont il évolue d'une soupe chaude des éléments constitutifs fondamentaux de la matière (quarks et gluons) aux protons et neutrons ordinaires qui constituent la majeure partie de la matière visible dans l'univers aujourd'hui.
En prime, ou plutôt, un témoignage de l'efficacité du personnel de l'accélérateur RHIC - l'équipe du collisionneur-accélérateur mettra également en œuvre et affinera plusieurs technologies importantes pour la future recherche en physique nucléaire.
« À certains égards, cette course est l'aboutissement de deux décennies de développement d'installations, " dit Wolfram Fischer, Chaire associée pour les accélérateurs dans le département Collider-Accelerator (C-AD) du Brookhaven Lab. "Nous utiliserons de nombreux outils que nous avons développés depuis de nombreuses années, dont nous avons maintenant besoin tous en même temps. Toute cette expertise en C-AD et le soutien du DOE et d'autres laboratoires se sont réunis pour rendre cela possible."
Hélène Caines, un physicien de l'Université de Yale qui est co-porte-parole de l'expérience STAR du RHIC, a accepté et a exprimé son appréciation pour la polyvalence unique de RHIC et sa capacité à emballer autant de choses en si peu de temps. "Ça va être 15 semaines chargées !" elle a dit.
Étudier les effets magnétiques
RHIC entre en collision avec des ions (par exemple, les noyaux d'atomes lourds tels que l'or qui ont été dépouillés de leurs électrons) pour "fondre" leurs protons et neutrons et libérer les briques internes de ces particules, appelés quarks et gluons. La création de ce "plasma de quarks et de gluons" imite les conditions du tout premier univers et donne aux scientifiques un moyen d'explorer la force qui régit la façon dont ces particules fondamentales interagissent. Les physiciens nucléaires mènent ces études en suivant les particules émergeant des collisions.
Une découverte intrigante d'une expérience précédente au RHIC était une observation des différences dans la façon dont les particules chargées négativement et positivement s'écoulent de la boule de feu créée lorsque deux ions d'or entrent en collision. Les scientifiques soupçonnent que cette séparation de charge est déclenchée en partie par ce qu'on appelle "l'effet magnétique chiral" - une interaction entre le puissant champ magnétique généré lorsque les ions chargés positivement entrent en collision légèrement hors du centre (produisant une masse tourbillonnante de matière chargée) et chaque particule individuelle. "chiralité". La chiralité est la droiture ou la gaucherie d'une particule, qui dépend s'il tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre par rapport à son sens de déplacement. Selon cette compréhension, la séparation des charges devrait devenir plus forte à mesure que la force du champ magnétique augmente, ce qui est exactement ce que les scientifiques de STAR testent dans Run 18.
« Au lieu de l'or, nous utilisons des collisions avec deux "isobares" différentes - des isotopes d'atomes qui ont la même masse mais un nombre différent de protons, et donc différents niveaux de charge positive, " a déclaré Caines. Les collisions de deux ions ruthénium (numéro de masse 96 avec 44 protons) créeront un champ magnétique 10 pour cent plus fort que les collisions de deux ions zirconium (numéro de masse 96 avec seulement 40 protons), elle a dit.
« Nous gardons tout le reste identique - la taille du noyau, l'énergie, et le nombre total de particules participant à la collision. Nous passerons même d'une espèce d'ions à l'autre presque quotidiennement pour éliminer toute variation que les deux types de collisions pourraient causer à des semaines d'intervalle. Puisque la seule chose que nous varions est le champ magnétique, cela devrait être un test définitif de l'effet magnétique chiral."
Dans les collisions or-or, Les physiciens du RHIC ont observé une séparation des charges qui, selon eux, a été déclenchée en partie par le puissant champ magnétique (flèche bleue, B) créé par le tourbillon de particules chargées positivement lors de collisions excentrées. Crédit :Département américain de l'énergie
Un résultat positif prouverait que les collisions créent un champ magnétique très puissant - "le plus fort jamais observé, " a déclaré Caines. " Ce serait aussi la preuve définitive que les collisions créent un milieu composé de quarks et de gluons libres, un plasma quark-gluon, avec un déséquilibre des particules gauchers et droitiers entraînés par des fluctuations quantiques."
Obtention et préparation des isotopes
Bien que la quantité de matière nécessaire pour entrer en collision avec des ions individuels soit extrêmement faible (le RHIC utilisera beaucoup moins d'un gramme d'or au cours de toutes ses années de fonctionnement !), l'obtention de certains isotopes rares peut être difficile. Le zirconium-96 (la forme nécessaire pour ces expériences) représente moins de trois pour cent de l'approvisionnement naturel de cet élément, tandis que le ruthénium-96 représente moins de six pour cent.
« Si vous venez d'utiliser un matériau naturel pour les sources d'ions qui alimentent le RHIC, l'intensité du faisceau serait bien trop faible pour collecter les données nécessaires, " a déclaré Fischer. "Vous pouvez acheter des échantillons enrichis de zirconium mais il n'y a pas de source commerciale de ruthénium enrichi."
Heureusement, il y a une nouvelle installation pour un tel enrichissement isotopique au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du DOE, l'usine de prototypes d'isotopes stables enrichis (ESIPP), qui réchauffait la matière naturelle et séparait électromagnétiquement les différentes masses. L'ESIPP fait partie du programme d'isotopes du DOE et a commencé ses opérations au cours de l'exercice 2018, le rétablissement d'une capacité nationale générale d'enrichissement en isotopes stables.
"Avec l'aide du programme d'isotopes du DOE du Bureau des sciences, L'ORNL nous a mis en tête de sa liste de priorités pour fournir un demi-gramme de ce matériel - un petit flacon avec un peu de "poussière" au fond - à temps pour la course, " a déclaré Fischer.
Les ions ruthénium commencent leur chemin d'accélération dans l'accélérateur Tandem Van De Graaff de Brookhaven. Afin de ne pas gaspiller le précieux approvisionnement en ions, l'équipe Tandem, dirigé par Peter Thieberger, ont d'abord effectué des tests avec des formes de ruthénium plus abondantes, s'assurer qu'ils auraient l'intensité de faisceau nécessaire. Pour les expériences réelles, ils diluent l'échantillon de ruthénium avec de l'aluminium pour étaler l'approvisionnement. Une fois accéléré, les ions se regroupent et ces paquets se combinent en paquets de plus en plus serrés lorsqu'ils circulent à travers l'anneau Booster et le synchrotron à gradient alterné (AGS), gagner de l'énergie à chaque étape avant d'être injecté dans les deux anneaux de circonférence de 2,4 milles à contre-circulation du RHIC pour des collisions à 200 milliards d'électrons-volts (GeV).
Pour obtenir les ions zirconium pour les collisions les jours alternés, l'équipe de Brookhaven, dirigé par Masahiro Okamura, a demandé l'aide de Hiromitsu Haba et de ses collègues du laboratoire japonais RIKEN qui avaient de l'expérience avec les cibles de zirconium. "Ils ont généreusement partagé tout ce qu'ils savent sur la transformation du zirconium en cibles d'oxyde que nous pourrions utiliser pour extraire les ions, " a déclaré Fischer.
Les scientifiques zappent ces cibles d'oxyde de zirconium avec un laser à la source d'ions laser de Brookhaven pour créer un plasma contenant des ions zirconium chargés positivement. Ces ions entrent ensuite dans la source d'ions à faisceau d'électrons (EBIS) pour être transformés en un faisceau. Depuis EBIS, le faisceau de zirconium suit un trajet similaire à celui du ruthénium, avec les ions fusionnant en paquets de plus en plus serrés et gagnant de l'énergie dans le Booster et l'AGS avant d'être injectés dans le RHIC. Encore une autre équipe :les propres chimistes de Brookhaven du Medical Isotope Research and Production Program, dirigé par Cathy Cutler - récupère les restes de matériau cible et le retraite pour en faire de nouvelles cibles afin qu'aucun matériau isotopique précieux ne reste inutilisé.
Le fait que les deux types d'ions entrent dans le RHIC à partir de sources différentes facilite le passage du ruthénium au zirconium jour après jour. "Ce sont deux espèces d'ions quelque peu exotiques, nous voulions donc deux sources indépendantes pouvant être optimisées et exécutées indépendamment, " Fischer a déclaré. " Si vous exécutez les deux à partir d'une seule source, il est plus difficile d'obtenir les meilleures performances des deux."
Dans les collisions isobares, les physiciens feront varier l'intensité du champ magnétique en faisant entrer en collision différents types d'ions avec le même nombre total de nucléons mais un nombre différent de protons, et donc une charge positive. Le champ plus fort produit dans les collisions avec le ruthénium (à droite) devrait entraîner un effet de séparation de charge plus fort que le champ plus faible créé dans les collisions avec le zirconium (à gauche). Crédit :Département américain de l'énergie
Une fois que l'un ou l'autre ensemble d'ions entre dans le collisionneur, les améliorations supplémentaires apportées au RHIC au fil des ans aident à maximiser le nombre de collisions produisant des données. Plus important encore, une technique appelée "refroidissement stochastique, " mis en œuvre lors de ce run par Kevin Mernick, détecte quand les particules à l'intérieur des faisceaux se dispersent (chauffent), et envoie des signaux correctifs aux appareils avant les ions rapides pour les ramener dans des packs serrés.
"Sans refroidissement stochastique, il serait très difficile voire impossible d'atteindre les objectifs expérimentaux car nous perdrions beaucoup d'ions, " Fischer a déclaré. " Et nous ne pourrions pas le faire sans toutes les différentes parties du DOE et de Brookhaven. Nous avions besoin de toutes nos connaissances sources dans EBIS et au Tandem, et nous avions besoin de collaborateurs de RIKEN, ORNL, et nos chimistes du programme Isotope à Brookhaven également. Cela a été un effort de collaboration incroyable."
"Passer d'une espèce à une autre chaque jour n'a jamais été fait auparavant dans un collisionneur, " dit Fischer. " Greg Marr, le coordonnateur de la course RHIC cette année, doit s'appuyer sur tous les outils disponibles pour effectuer ces transitions aussi rapidement et en toute transparence que possible."
Plus à apprendre de l'or-or
Après la course isobare, Les physiciens de STAR étudieront également deux types de collisions or-or. D'abord, dans les collisions de faisceaux d'or à 27 GeV, ils rechercheront des effets différentiels dans la façon dont les particules appelées lambda et les particules antilambda de charge opposée émergent. Le suivi des lambdas a récemment conduit à la découverte que le plasma de quarks et de gluons du RHIC est le fluide de rotation le plus rapide jamais rencontré. Mesurer la différence dans le comportement des lambdas et de leurs homologues antiparticulaires donnerait aux scientifiques de STAR un moyen précis de mesurer la force du champ magnétique qui provoque cette « vorticité ».
"Cela nous aidera à améliorer nos calculs de l'effet magnétique chiral car nous aurions une mesure réelle de la contribution magnétique. Jusqu'à présent, ces valeurs ont été basées uniquement sur des calculs théoriques, " dit Caines.
Dans la phase finale de la course, les physiciens des accélérateurs configureront le RHIC pour qu'il fonctionne comme une expérience à cible fixe. Au lieu d'écraser deux faisceaux ensemble dans des collisions frontales, ils projetteront un faisceau d'ions d'or dans une feuille d'or placée dans le détecteur STAR. L'énergie de collision du centre de masse, 3,2 GeV, sera inférieur à celui de n'importe quelle exécution précédente du RHIC. Ces collisions testeront pour voir si un signal que les scientifiques ont vu à des énergies plus élevées - de grandes fluctuations dans la production de protons - s'éteint. La disparition de ce signal pourrait indiquer que les fluctuations observées à des énergies plus élevées étaient associées à un "point critique" dans la transition des quarks et gluons libres vers la matière ordinaire. La recherche de ce point - un ensemble particulier de conditions de température et de pression où le type de transformation de phase change - a été un autre objectif de recherche majeur au RHIC.
Ces collisions à plus faible énergie formeront également le début du prochain "scan d'énergie du faisceau, " une série de collisions à travers un large éventail d'énergies commençant sérieusement l'année prochaine, dit Caines. Ce travail s'appuiera sur les résultats d'efforts antérieurs pour cartographier les différentes phases de la matière quark-gluon.
Mise au point des technologies des détecteurs et des accélérateurs
Some newly upgraded components of the STAR detector will be essential to these and future studies of nuclear matter at RHIC, so STAR physicists will be closely monitoring their performance during this run. Ceux-ci inclus:
Schematic of low-energy electron cooling components. Crédit :Département américain de l'énergie
The first two of these components work together to track and identify particles emerging from collisions closer to the beamline than ever before, enabling physicists to more precisely study directional preferences of particles. The event plane detector will track the orientation of the overlap region created by colliding particles—and therefore the orientation of the magnetic field.
"The combination of these new components will enhance our ability to track and identify particles and study how the patterns of particles produced are influenced by collision conditions, " Caines said.
On the accelerator front, Fischer notes two major efforts taking place in parallel with the Run 18 physics studies.
One project is commissioning a newly installed electron accelerator for low energy electron cooling, an effort led by Alexei Fedotov. This major new piece of equipment uses a green-laser-triggered photocathode electron gun to produce a cool beam of electrons. The electrons get injected into a short section of each RHIC ring to mix with the ion beams and extract heat, which reduces spreading of the ions at low energies to maximize collision rates.
The commissioning will include fine tuning the photocathode gun and the radiofrequency (RF) cavities that accelerate the electron beam after it leaves the gun to get it up to speed of RHIC's gold beams. The physicists will also commission RF correctors that give extra kicks to lagging particles and slow down those that are too speedy to keep all the electrons closely spaced.
"We have to make sure the electron beam has all the necessary properties—energy, size, momentum spread, and current—to cool the ion beam, " Fischer said. "If everything goes right, then we can use this system to start cooling the gold beam next year."
Physicists will also test another system for electron cooling at higher energies, which was developed in an effort led by Vladimir Litvinenko. In this system, called coherent electron cooling, electron beams are used as sensors for picking up irregularities in the ion beam. "The electron beam gets 'imprinted' by regions of low or high ion density, " Fischer said. Once amplified, this signal in the electron beam can be fed back to the ion beam "out of phase" to smooth out the irregularities.
Though this type of cooling is not essential to the research program at RHIC, it would be essential for cooling beams in a high-energy Electron-Ion Collider (EIC), a possible future research facility that nuclear physicists hope to build. Testing the concept at RHIC helps lay the foundation for how it would work at an EIC, Fischer said.
If the experience at RHIC is any guide, all the testing should pay off with future physics discoveries.
