I primi scontri di due nuovi tipi di particelle presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory, offriranno nuove informazioni sugli effetti del magnetismo sulla palla di fuoco della materia creata in queste collisioni. Il raggiungimento di questo obiettivo principale delle 15 settimane del 18° anno di RHIC attingerà a più di un decennio di esperienza accumulata, miglioramenti ai componenti del collisore e del rivelatore, e uno sforzo collaborativo con i partner in tutto il complesso DOE e in tutto il mondo.

I fisici eseguiranno anche due diversi tipi di collisioni con ioni d'oro a basse energie, comprese le collisioni di ioni d'oro con un bersaglio stazionario. Queste collisioni aiuteranno gli scienziati a comprendere meglio la materia esotica creata nelle collisioni a più alta energia di RHIC, compresa la forza del suo campo magnetico e come si evolve da una zuppa calda di elementi costitutivi fondamentali della materia (quark e gluoni) ai normali protoni e neutroni che costituiscono la maggior parte della materia visibile nell'universo oggi.

Come bonus, o meglio, una testimonianza dell'efficienza del personale dell'acceleratore RHIC:il team del collisore-acceleratore implementerà e metterà a punto anche diverse tecnologie importanti per la futura ricerca sulla fisica nucleare.

"In un certo senso questa corsa è il culmine di due decenni di sviluppo delle strutture, " disse Wolfram Fischer, Associate Chair for Accelerators nel dipartimento Collider-Accelerator (C-AD) di Brookhaven Lab. "Utilizzeremo molti strumenti che abbiamo sviluppato in molti anni, di cui ora abbiamo bisogno tutti allo stesso tempo. Tutta questa esperienza in C-AD e il supporto del DOE e di altri laboratori si sono uniti per renderlo possibile".

Helen Caines, un fisico della Yale University che funge da co-portavoce per l'esperimento STAR di RHIC, concordato ed espresso il suo apprezzamento per la versatilità unica di RHIC e la capacità di confezionare così tanto in così poco tempo. "Saranno 15 settimane impegnative!" lei disse.

Studiare gli effetti magnetici

RHIC fa scontrare ioni (ad esempio, i nuclei di atomi pesanti come l'oro che sono stati privati ​​dei loro elettroni) per "sciogliere" i loro protoni e neutroni e liberare i mattoni interni di quelle particelle, noti come quark e gluoni. La creazione di questo "plasma di quark-gluoni" imita le condizioni dell'universo primordiale e offre agli scienziati un modo per esplorare la forza che governa il modo in cui interagiscono queste particelle fondamentali. I fisici nucleari conducono questi studi tracciando le particelle che emergono dalle collisioni.

Una scoperta intrigante di una precedente analisi al RHIC è stata l'osservazione delle differenze nel modo in cui le particelle cariche negativamente e positivamente escono dalla palla di fuoco creata quando due ioni d'oro si scontrano. Gli scienziati sospettano che questa separazione di carica sia innescata in parte da qualcosa chiamato "effetto magnetico chirale", un'interazione tra il potente campo magnetico generato quando gli ioni caricati positivamente si scontrano leggermente fuori centro (producendo una massa vorticosa di materia carica) e ogni singola particella. "chiralità". La chiralità è la destrezza o la mancina di una particella, che dipende dal fatto che stia girando in senso orario o antiorario rispetto alla sua direzione di movimento. Secondo questa comprensione, la separazione di carica dovrebbe diventare più forte con l'aumentare della forza del campo magnetico, che è esattamente ciò che gli scienziati STAR stanno testando nella corsa 18.

"Invece dell'oro, stiamo usando collisioni con due diversi "isobari":isotopi di atomi che hanno la stessa massa ma un diverso numero di protoni, e quindi diversi livelli di carica positiva, " ha detto Caines. Le collisioni di due ioni rutenio (numero di massa 96 con 44 protoni) creeranno un campo magnetico che è il 10 percento più forte delle collisioni di due ioni di zirconio (numero di massa 96 con solo 40 protoni), lei disse.

"Stiamo mantenendo tutto il resto lo stesso:la dimensione del nucleo, l'energia, e il numero totale di particelle che partecipano alla collisione. Passeremo anche da una specie di ioni all'altra quasi giorno per giorno per eliminare qualsiasi variazione che potrebbe causare i due tipi di collisioni a settimane di distanza. Poiché l'unica cosa che stiamo variando è il campo magnetico, questo dovrebbe essere un test definitivo dell'effetto magnetico chirale."

Un risultato positivo dimostrerebbe che le collisioni stanno creando un campo magnetico molto forte, "il più forte mai osservato, "Ha detto Caines. "Sarebbe anche una prova definitiva che le collisioni stanno creando un mezzo composto da quark liberi e gluoni, un plasma di quark-gluoni, con uno squilibrio di particelle destrorse e mancine guidate da fluttuazioni quantistiche."

Ottenere e preparare gli isotopi

Sebbene la quantità di materia necessaria per far collidere i singoli ioni sia estremamente piccola (RHIC utilizzerà molto meno di un grammo d'oro in tutti i suoi anni di attività!), ottenere alcuni isotopi rari può essere difficile. Lo zirconio-96 (la forma necessaria per questi esperimenti) costituisce meno del tre percento della fornitura naturale di questo elemento, mentre il rutenio-96 costituisce meno del sei percento.

"Se hai appena usato materiale naturale per le sorgenti di ioni che alimentano RHIC, l'intensità del raggio sarebbe troppo bassa per raccogliere i dati necessari, " ha detto Fischer. "È possibile acquistare campioni arricchiti di zirconio ma non esiste una fonte commerciale di rutenio arricchito".

Fortunatamente, c'è una nuova struttura per tale arricchimento isotopico presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del DOE, l'impianto prototipo di isotopi stabili arricchiti (ESIPP), che riscaldava il materiale naturale e separava elettromagneticamente le diverse masse. ESIPP fa parte del DOE Isotope Program e ha iniziato a operare nell'esercizio 2018, ristabilire una capacità nazionale generale di arricchire gli isotopi stabili.

"Con l'aiuto del DOE Isotope Program presso l'Office of Science, L'ORNL ci ha messo in cima alla loro lista di priorità per fornire mezzo grammo di questo materiale, una piccola fiala con un po' di "polvere" sul fondo, in tempo per la corsa, " ha detto Fischer.

Gli ioni rutenio iniziano il loro percorso di accelerazione nell'acceleratore Tandem Van De Graaff di Brookhaven. Per non sprecare la preziosa scorta di ioni, la squadra Tandem, guidato da Peter Thieberger, test eseguiti con forme più abbondanti di rutenio, assicurandosi che avessero l'intensità del raggio necessaria. Per gli esperimenti veri e propri, diluiscono il campione di rutenio con alluminio per distribuire la scorta. Una volta accelerato, gli ioni si raggruppano e quei grappoli si combinano in grappoli sempre più fitti mentre circolano attraverso l'anello booster e il sincrotrone a gradiente alternato (AGS), guadagnando energia ad ogni passaggio prima di essere iniettato nei due anelli di circonferenza di 2,4 miglia in controcircolazione di RHIC per collisioni a 200 miliardi di elettronvolt (GeV).

Per ottenere gli ioni di zirconio per le collisioni a giorni alterni, la squadra di Brookhaven, guidato da Masahiro Okamura, ha chiesto aiuto a Hiromitsu Haba e ai colleghi del laboratorio giapponese RIKEN che avevano esperienza con obiettivi in ​​zirconio. "Hanno generosamente condiviso tutto ciò che sanno sulla trasformazione dello zirconio in bersagli di ossido che potremmo usare per estrarre gli ioni, " ha detto Fischer.

Gli scienziati eliminano questi bersagli di ossido di zirconio con un laser alla sorgente di ioni laser di Brookhaven per creare un plasma contenente ioni di zirconio carichi positivamente. Questi ioni entrano quindi nell'Electron Beam Ion Source (EBIS) per essere trasformati in un fascio. Dall'EBIS, il fascio di zirconio segue un percorso simile a quello del rutenio, con gli ioni che si fondono in grappoli sempre più stretti e guadagnano energia nel Booster e nell'AGS prima di essere iniettati in RHIC. Ancora un altro team:i chimici di Brookhaven del Medical Isotope Research and Production Program, guidato da Cathy Cutler:recupera il materiale bersaglio rimasto e lo rielabora per creare nuovi bersagli in modo che nessun prezioso materiale isotopico rimanga inutilizzato.

Avere i due tipi di ioni che entrano nel RHIC da fonti diverse rende più facile il passaggio dal rutenio allo zirconio giorno dopo giorno. "Queste sono due specie di ioni alquanto esotiche, quindi volevamo due sorgenti indipendenti che potessero essere ottimizzate ed eseguite indipendentemente, " disse Fischer. "Se esaurisci entrambi da un'unica fonte, è più difficile ottenere la migliore prestazione da entrambi".

Una volta che uno dei due gruppi di ioni entra nel collisore, ulteriori miglioramenti apportati a RHIC nel corso degli anni aiutano a massimizzare il numero di collisioni che producono dati. Più significativamente, una tecnica chiamata "raffreddamento stocastico, " implementato durante questa corsa da Kevin Mernick, rileva quando le particelle all'interno dei fasci si diffondono (si riscaldano), e invia segnali correttivi ai dispositivi prima degli ioni accelerati per spingerli di nuovo in gruppi stretti.

"Senza il raffreddamento stocastico sarebbe molto difficile se non impossibile raggiungere gli obiettivi sperimentali perché perderemmo molti ioni, " ha detto Fischer. "E non potremmo farlo senza tutte le diverse parti in DOE ea Brookhaven. Avevamo bisogno di tutta la nostra conoscenza della fonte in EBIS e al Tandem, e avevamo bisogno di collaboratori di RIKEN, ORNL, e anche i nostri chimici nell'Isotope Program a Brookhaven. È stato uno straordinario sforzo di collaborazione".

"Il passaggio da una specie all'altra ogni giorno non è mai stato fatto prima in un collisore, " disse Fischer. "Greg Marr, il coordinatore della corsa RHIC quest'anno, deve attingere a tutti gli strumenti disponibili per rendere queste transizioni il più rapide e fluide possibile".

Altro da imparare da oro-oro

Seguendo la corsa isobare, I fisici STAR studieranno anche due tipi di collisioni oro-oro. Primo, nelle collisioni di fasci d'oro a 27 GeV, cercheranno effetti differenziali nel modo in cui emergono particelle chiamate lambda e particelle antilambda di carica opposta. Il monitoraggio dei lambda ha recentemente portato alla scoperta che il plasma di quark e gluoni di RHIC è il fluido rotante più veloce mai incontrato. Misurare la differenza nel comportamento dei lambda e delle loro controparti antiparticelle darebbe agli scienziati STAR un modo preciso per misurare la forza del campo magnetico che causa questa "vorticità".

"Questo ci aiuterà a migliorare i nostri calcoli dell'effetto magnetico chirale perché avremmo una misurazione effettiva del contributo magnetico. Fino ad ora, tali valori sono stati basati esclusivamente su calcoli teorici, " disse Caines.

Nella fase finale della corsa, i fisici degli acceleratori configureranno RHIC per l'esecuzione come esperimento a target fisso. Invece di far scontrare due travi in ​​collisioni frontali, sbatteranno un raggio di ioni d'oro in una lamina d'oro posta all'interno del rivelatore STAR. L'energia di collisione del centro di massa, 3.2 GeV, sarà inferiore rispetto a qualsiasi precedente corsa RHIC. Queste collisioni testeranno per vedere se un segnale che gli scienziati hanno visto a energie più elevate - grandi fluttuazioni nella produzione di protoni - si spegne. La scomparsa di questo segnale potrebbe indicare che le fluttuazioni osservate alle energie più elevate erano associate a un cosiddetto "punto critico" nella transizione dei quark e dei gluoni liberi alla materia ordinaria. La ricerca di questo punto, un particolare insieme di condizioni di temperatura e pressione in cui cambia il tipo di trasformazione di fase, è stato un altro importante obiettivo di ricerca presso RHIC.

Queste collisioni a energia più bassa formeranno anche l'inizio della prossima "scansione dell'energia del raggio, " una serie di collisioni attraverso una vasta gamma di energie che iniziano sul serio il prossimo anno, ha detto Caines. Questo lavoro si baserà sui risultati dei precedenti sforzi per mappare le varie fasi della materia quark-gluoni.

Ottimizzazione delle tecnologie del rivelatore e dell'acceleratore

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. These include:

• An inner component of the barrel-shaped Time Projection Chamber (the iTPC), developed with significant support from DOE and China's National Natural Science Foundation and Ministry of Science and Technology.
• An "endcap time of flight" (eTOF) detector developed by STAR physicists and a collaboration of scientists working on the Compressed Baryonic Matter experiment, which will be located at the future Facility for Antiproton and Ion Research in Darmstadt, Germania.
• A new "event plane detector" developed by U.S. and Chinese collaborators in a project supported by the DOE, the U.S. National Science Foundation, and the Chinese Ministry of Science and Technology.

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, dimensione, 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 questo sistema, 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.