Juste avant le début de la course de cette année au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) - une installation utilisateur du ministère de l'Énergie des États-Unis pour la recherche en physique nucléaire au laboratoire national de Brookhaven du DOE - une équipe de scientifiques, ingénieurs, techniciens, et les étudiants ont terminé l'installation de nouveaux composants importants du détecteur STAR du collisionneur. Ce traqueur de particules de la taille d'une maison (le Solenoidal Tracker du RHIC) capture les débris subatomiques créés lorsque les noyaux atomiques entrent en collision afin que les scientifiques puissent en apprendre davantage sur les éléments constitutifs de la matière. Les nouveaux composants étendront la capacité de STAR à suivre les jets de particules émergeant dans une direction « avant » extrême, c'est-à-dire près de la ligne de lumière à travers laquelle les particules se déplacent lorsqu'elles entrent en collision.

La détection des jets directs sera importante pour apprendre comment les composants internes des protons et des neutrons (quarks et gluons) contribuent aux propriétés globales de ces éléments constitutifs de la matière.

"Les jets sont d'excellents substituts des quarks et des gluons, " a déclaré Elke-Caroline Aschenauer, physicienne du Brookhaven Lab, qui dirige la mise à niveau avancée de STAR. "Si vous mesurez l'énergie de toutes les particules qui composent un jet, alors vous savez tout sur le quark ou le gluon qui a produit ce jet lors de la collision - son énergie, direction, et le spin." La mesure de nombreux jets permettra aux scientifiques de cartographier la structure 3-D du proton, y compris l'arrangement et le spin des quarks et des gluons à l'intérieur.

Le nouvel équipement ne sera pas utilisé pour des mesures de physique avant l'année prochaine des expériences RHIC à haute énergie. Mais le fait d'avoir les principaux composants - deux types de calorimètres - installés pour la course à basse énergie de cette année donne aux physiciens une chance de calibrer l'équipement et de résoudre les problèmes.

"Nous pouvons utiliser ce temps pour faire fonctionner tous les systèmes d'acquisition de données, tester les canaux de lecture, et mettez en service notre configuration de déclenchement" - le système qui décide, en une fraction de seconde, quelles collisions enregistrer et lesquelles lancer, dit Aschenauer.

Séparés par l'espace et le temps

Respecter la date limite pour le début de la course RHIC de cette année au milieu d'une pandémie mondiale n'était pas une mince tâche.

« Nous voulions que de nombreux « utilisateurs » académiques de l'expérience STAR et leurs étudiants se rendent à Brookhaven pour assembler et installer les composants, mais avec le COVID, c'est devenu très compliqué, " a déclaré Oleg Tsai, un utilisateur STAR de l'UCLA et l'esprit créatif derrière la conception du détecteur avancé.

Au lieu, le projet a avancé comme une collaboration séparée par l'espace et le temps.

"Les utilisateurs de STAR dans les universités à travers le pays ont travaillé pour construire et tester des composants avec des étudiants, y compris certains qui vivaient trop loin de chez eux pour voyager pendant le verrouillage, " dit Tsaï.

Pour maintenir la distance sociale, « nous nous sommes naturellement répartis en groupes du matin et de l'après-midi, " a déclaré David Kapukchyan, un étudiant diplômé qui a aidé à assembler des composants à l'Université de Californie, Bord de rivière. "Nous avons dû nous laisser des notes les uns aux autres afin que chaque groupe sache ce qu'il devait faire pendant son temps dans le laboratoire."

"Cette expérience m'a permis de mieux comprendre comment les détecteurs de cette taille s'assemblent et la quantité de travail qu'il faut pour les construire, " il ajouta.

Cela a satisfait un objectif clé pour Scott Wissink, un utilisateur de STAR et professeur de physique à l'Université d'Indiana, qui a coordonné la proposition de financer ce travail par le biais du programme Major Research Instrumentation (MRI) de la National Science Foundation, qui comprenait spécifiquement un soutien à la participation des étudiants dans les dix universités qui composaient le consortium du projet.

« En plus d'acheter du matériel et de l'équipement, nous avons également demandé des fonds pour soutenir la main-d'œuvre technique requise dans les universités individuelles, et surtout donner aux étudiants la possibilité de s'impliquer dans les tests et l'assemblage des composants, ", a-t-il déclaré. " Cette expérience garantira non seulement que nous avons le bon équipement pour effectuer les mesures, mais les préparera également à diriger la prochaine génération d'expériences de physique."

Assemblage assisté

"Les pièces ont été produites et livrées de partout dans le monde - Indiana, Pennsylvanie, Californie, Illinois, Texas, même la Chine et le Japon. Quand nous ne pouvions pas obtenir de papier toilette, nous obtenions des scintillateurs, " Aschenauer a noté, décrivant un plastique spécial qui détecte les particules de lumière. Ensuite, toutes les pièces - des dizaines de milliers de composants - ont dû être assemblées et installées à la manière de Lego, couche par couche, elle a dit.

Certains étudiants ont finalement pu aider.

"J'avais l'intention de venir à Brookhaven pour mes études de doctorat avant que la pandémie de COVID ne frappe, " a déclaré Erik Loyd, un autre étudiant diplômé à UC Riverside. "Bien que mon voyage ait été initialement retardé, J'ai fini par déménager à New York et mettre en quarantaine pendant un mois avant de venir au Lab pour aider à l'installation."

Mais avec beaucoup moins d'étudiants disponibles qu'en temps normal, les chefs de projet se sont tournés vers les techniciens du groupe Beam &Experimental Services (B&ES) de Brookhaven et du groupe Collider-Accelerator Support (CAS) pour obtenir une assistance supplémentaire.

Brendan Hoy, membre du TAS, a noté que les tâches 24 heures sur 24 de son groupe consistent généralement à répondre aux problèmes d'équipement en temps réel - dépanner et effectuer une maintenance corrective sur des éléments tels que les alimentations et les aimants - ainsi que la construction, l'installation, et l'entretien de divers systèmes électroniques autour du complexe. "Le travail que nous effectuons pour maintenir les alimentations STAR et la nature centrée sur l'électronique de mes tâches régulièrement assignées mappées sur ce détecteur s'installent très bien, ", a-t-il déclaré. " Compte tenu des circonstances particulièrement difficiles que 2020 nous a apportées à tous, J'ai trouvé que l'opportunité de travailler sur un projet en dehors de la portée normale de mon rôle était la bienvenue."

"Les techniciens du Département Collider-Accélérateur (CAD), travailler avec le groupe de soutien technique STAR, a fait un excellent travail d'installation des calorimètres et de leurs structures de support, " dit Rahul Sharma, Ingénieur en chef de STAR. "Le travail est allé deux fois plus vite que prévu initialement, avec des groupes travaillant en alternance le matin et l'après-midi pour empiler plusieurs couches de blocs détecteurs. C'était un vrai challenge d'essayer de coordonner tout cela pendant plus de trois mois pour terminer l'installation."

« Nous avons dû surmonter de nombreux défis lors de la construction de ces détecteurs dans un endroit et un calendrier si serrés, " a déclaré Travis Herbst, un technicien en B&ES. "En raison de l'espace limité, nous avons dû installer un tapis roulant temporaire qui nous a permis d'en transférer près de 10, 000 blocs absorbeurs en acier de 15 et 20 tonnes, 000 broches servaient à les maintenir ensemble sous la ligne de faisceau afin que nous puissions construire les détecteurs des deux côtés."

Adrien Timon, un autre technicien B&ES, a ajouté:"Nous avons également dû maintenir une distance sociale pendant toutes les heures de travail nécessaires à l'installation du détecteur tout en inspectant et en gardant tous les blocs et broches nettoyés des débris ou des déformations, car de tels défauts pourraient causer des problèmes avec la structure interne du détecteur."

"La chose la plus étonnante pour moi était tous ces détails mineurs que vous ne lisez pas dans un manuel quand ils décrivent ces calorimètres, " a déclaré Kapukchyan de l'UC Riverside, qui s'est également rendu à Long Island pour l'assemblée. "Vous avez lu sur la physique de la façon dont les particules perdent de l'énergie et comment la calculer, mais tous ces petits détails de construction, comme comment dérouler correctement les câbles, sont laissés de côté. Être impliqué [à toutes les étapes de ce projet] a été une grande expérience pour moi et m'aidera certainement dans mes projets futurs, " il a dit.

Faire avancer la science

Les assemblages calorimétriques de type Lego désormais complets seront joints, après la course de cette année, par quelques composants supplémentaires - deux types de détecteurs de suivi pour discerner les particules avec des charges électriques différentes. L'ensemble du système sera alors prêt à collecter des données de physique lors de l'exécution du RHIC 2022.

Placé à une extrémité de la chambre de projection temporelle en forme de tonneau du détecteur STAR, les calorimètres et les trackers capteront les jets qui émergent à des angles très proches de la ligne de lumière du RHIC, sortant à cette extrémité du canon. L'étude de ces jets particuliers est importante car ils donnent aux scientifiques l'accès aux quarks et aux gluons qui transportent un pourcentage très élevé ou très faible de l'impulsion globale du proton (ou du noyau).

Les jets produits par la diffusion des trois principaux quarks de valence qui composent un proton transportent un grand pourcentage de la quantité de mouvement globale de la particule. Mais un proton est beaucoup plus complexe que ces trois quarks principaux. À l'intérieur se trouve un microcosme foisonnant de paires de quarks et d'antiquarks qui entrent et sortent de l'existence. Les gluons, qui portent bien leur nom parce qu'ils collent les quarks entre eux, sont encore plus mystérieux. Ils se divisent et se multiplient et, à hautes énergies, peut dominer complètement la structure du proton. Chacun de ces gluons transporte un infime pourcentage de la quantité de mouvement globale du proton. Mais parce qu'il y en a tellement, les scientifiques pensent que leur influence combinée joue un rôle démesuré dans l'établissement des propriétés du proton. D'où la motivation d'étudier les jets générés par ces gluons à "faible fraction d'impulsion".

"Ces mesures nous aideront à rechercher des preuves que les ions d'or que nous rencontrons au RHIC deviennent des murs denses de gluons, et que cet état saturé de gluons est responsable de propriétés clés telles que le spin et la masse du proton, comme le suggèrent bon nombre des résultats que nous avons déjà observés au RHIC, " a déclaré Aschenauer.

Les mesures contribueront également à jeter les bases du suivi des jets dans le futur collisionneur électron-ion (EIC). L'EIC est une nouvelle installation de physique nucléaire du DOE à la pointe de la technologie qui sera construite au Brookhaven Lab en collaboration avec le Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) pour étendre la portée des scientifiques aux frontières de la physique nucléaire.

"La conception du calorimètre hadronique dont nous parlons pour l'EIC a des composants qui sont fondamentalement identiques à celui qui fait partie de cette mise à niveau, afin qu'une partie de ce projet serve de prototype aux futurs composants du détecteur EIC, " a déclaré Aschenauer.