Cette vue de bout d'un événement de collision à basse énergie à STAR montre des traces de particules sur la droite et des "coups" de détecteur à partir desquels les traces sont dérivées sur la gauche. Notez l'abondance de hits enregistrés par les nouveaux secteurs internes du détecteur, qui améliorent considérablement la capacité des scientifiques à reconstruire des traces. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Pour les scientifiques qui suivent la transformation des protons et des neutrons - les composants des noyaux atomiques qui composent tout ce que nous voyons dans l'univers aujourd'hui - en une soupe de blocs de construction fondamentaux connus sous le nom de plasma quark-gluon, plus c'est mieux. Plus de traces de particules, C'est. Grâce à une nouvelle mise à niveau du détecteur STAR du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), les physiciens nucléaires disposent désormais de plus de traces de particules que jamais pour mieux comprendre la transition cruciale de la construction de la matière qui a conduit ce processus à l'envers il y a près de 14 milliards d'années.
RHIC - une installation utilisateur du Bureau des sciences du département de l'énergie des États-Unis pour la recherche en physique nucléaire au Laboratoire national de Brookhaven - entre en collision des faisceaux de particules lourdes telles que les noyaux d'atomes d'or pour recréer les conditions extrêmes de l'univers primitif, y compris les températures supérieures à 250, 000 fois plus chaud que le centre du soleil. Les collisions font fondre les protons et les neutrons des atomes, libérant momentanément leurs éléments constitutifs internes, les quarks et les gluons, qui existaient pour la dernière fois sous forme de particules libres un millionième de seconde après le Big Bang. Le détecteur STAR capture les traces de particules émergeant des collisions afin que les physiciens nucléaires puissent en apprendre davantage sur les quarks et les gluons et sur la force qui les lie en particules plus familières lorsque le plasma chaud quark-gluon se refroidit.
La mise à niveau du détecteur STAR de la "chambre de projection temporelle intérieure, " ou iTPC, a été achevé juste à temps pour la série de collisions de cette année au RHIC. Il augmente la capacité du détecteur à capturer les particules émergeant à proximité de la ligne de lumière dans les directions "avant" et "arrière", ainsi que des particules à faible quantité de mouvement.
"Avec la mise à niveau du TPC intérieur, nous pouvons augmenter considérablement la couverture du détecteur et le nombre total de particules que nous pouvons mesurer dans un événement donné, " dit Grazyna Odyniec, chef de groupe du groupe Collisions nucléaires relativistes du Lawrence Berkeley National Laboratory, qui était responsable de la construction du STAR TPC d'origine et des composants mécaniques des nouveaux secteurs.
Une partie de l'équipe installant de nouveaux secteurs pour la chambre de projection temporelle interne (iTPC) à STAR (de gauche à droite) :Saehanseul Oh, Prashanth Shanmuganathan, Robert Soja, Bill Struble, Peng Liu, et Rahul Sharma. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Rétrécissement de l'électronique, plus d'instantanés
L'un des éléments clés de la mise à niveau consistait à incorporer une électronique de lecture avancée, qui ont parcouru un long chemin depuis que le TPC original de STAR a été assemblé au Berkeley Lab à la fin des années 1990.
"Parce que l'électronique de lecture est devenue beaucoup plus petite, nous installons maintenant beaucoup plus de capteurs dans les secteurs internes, " a déclaré Flemming Videbaek, physicien du Brookhaven Lab, chef de projet pour la mise à niveau. L'électronique est également devenue beaucoup plus rapide. Cela signifie que le détecteur peut prendre des « instantanés » plus fréquemment pour capturer plus de détails sur les trajectoires des particules individuelles. Un échantillonnage plus fréquent permet également à STAR d'accéder aux particules précédemment perdues lors des mesures avec le détecteur.
« Nous sommes maintenant en mesure de reconstituer des traces qui étaient tout simplement trop courtes pour que le détecteur puisse les voir, " a déclaré Daniel Cebra, un physicien de l'Université de Californie, Davis, et un leader de l'effort iTPC. "Ces pistes plus courtes proviennent de particules qui ont été émises à un angle faible, c'est-à-dire près de la ligne de faisceau dans la direction des ions en collision, ou qui ont une faible quantité de mouvement et sont donc recroquevillées lorsqu'elles se déplacent dans le champ magnétique du détecteur."
Le détecteur STAR du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) a la taille d'une petite maison. Il capture des instantanés de traces laissées par des milliers de particules créées lors de la collision de deux ions d'or. Les mises à niveau du noyau interne de STAR permettent désormais au détecteur de suivre encore plus de particules, y compris ceux à faible élan et ceux émergeant près de la ligne de lumière.
La capture de ces particules à faible angle et à faible impulsion donnera aux scientifiques de STAR beaucoup plus de données avec lesquelles travailler alors qu'ils recherchent des signes de la transition de phase plasma quark-gluon - l'objectif principal du Beam Energy Scan II du RHIC.
Effort collaboratif
Construire des composants pour l'amélioration du détecteur et les assembler à temps pour les collisions à basse énergie qui ont commencé en février était un effort de collaboration et mondial.
Une équipe de l'Instituto de Física da Universidade de São Paulo au Brésil a conçu les principales puces de la nouvelle électronique de lecture de signal, qui ont été incorporés dans l'assemblage final par le groupe électronique Brookhaven Lab STAR. Les scientifiques du Berkeley Lab dirigés par Jim Thomas et Howard Wieman ont préparé les pièces mécaniques des nouveaux secteurs, y compris le "découpage" de l'alignement des cadres en aluminium pour correspondre aux spécifications de conception dans les 50 microns dans toutes les dimensions. Et une grande partie de la sagesse et des méthodes de l'équipe de Berkeley ont contribué à guider l'assemblage des composants de fil des secteurs par les collaborateurs de STAR en Chine.
Une vue latérale des traces de particules (à gauche) et des impacts (à droite) d'une collision dans STAR, tel qu'enregistré par les nouveaux secteurs iTPC (en haut) par rapport aux anciens secteurs (en bas). Remarquez comment les nouveaux secteurs enregistrent plus de hits par piste, particulièrement près de la ligne de lumière, ainsi que des pistes à des angles plus en avant et en arrière (plus à gauche et à droite dans cette vue). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Chacun des 24 secteurs de suivi des particules de l'iTPC contient 1500 fils minces disposés en trois couches qui amplifient les signaux, établir un champ électrique guidant les particules, et contrôlez les pistes enregistrées sur STAR. Ces fils devaient être montés avec une extrême précision pour garder la même distance relative entre les couches - à moins de 10 microns, ou des millionièmes de mètre.
"Nous avons acquis de l'expérience en construisant un petit prototype avant même que la conception ne soit finalisée, et puis quand c'était, nous avons construit une version pleine grandeur, " dit Qinghua Xu, un physicien à l'Université du Shandong, qui a dirigé l'effort chinois. Lorsqu'ils ont terminé le premier prototype complet en 2017, ils l'ont envoyé à Brookhaven pour un essai.
« Pour la course 2018, nous avons remplacé l'un des anciens secteurs par le nouveau prototype, et a confirmé que cela fonctionnait comme prévu, " a déclaré Videbaek. " Cela nous a donné confiance que nous étions prêts à construire et installer les 23 autres secteurs. "
Le montage de 1500 fils minces disposés en trois couches sur chacun des 24 nouveaux secteurs iTPC a demandé de la patience, s'entraîner, et précision. Crédit :Université du Shandong
Course contre le temps
L'équipe de Brookhaven a commencé à installer des secteurs en octobre 2018.
"C'était un peu une course avec le temps, " a déclaré Videbaek. " Nous avons installé les derniers appareils électroniques juste avant Noël et ensuite, en janvier, a rempli le TPC de son mélange gazeux argon/méthane et a commencé à prendre des données cosmiques, " il a dit.
Les scientifiques utilisent des rayons cosmiques (particules chargées de l'espace) – qui traversent le toit à un rythme d'environ 150 par seconde – pour calibrer le détecteur et s'assurer que tout fonctionne.
Lorsque les premières collisions à basse énergie sont arrivées en février, l'équipe STAR était prête avec un détecteur nouvellement efficace entièrement fonctionnel.
"Nous sommes reconnaissants à tous les membres de l'équipe qui ont contribué au succès de cette mise à niveau, " a déclaré Videbaek.
