Questa vista finale di un evento di collisione a bassa energia presso STAR mostra tracce di particelle a destra e "colpi" del rivelatore da cui vengono derivate tracce a sinistra. Notare l'abbondanza di colpi registrati dai nuovi settori interni del rivelatore, che migliorano notevolmente la capacità degli scienziati di ricostruire le tracce. Credito:Brookhaven National Laboratory
Per gli scienziati che seguono la trasformazione di protoni e neutroni, i componenti dei nuclei atomici che costituiscono tutto ciò che vediamo oggi nell'universo, in una zuppa di elementi costitutivi fondamentali noti come plasma di quark e gluoni, Più "è meglio. Più tracce di particelle, questo è. Grazie a un aggiornamento appena installato del rivelatore STAR presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), i fisici nucleari ora hanno più tracce di particelle che mai per ottenere informazioni sulla transizione cruciale per la costruzione della materia che ha eseguito questo processo al contrario quasi 14 miliardi di anni fa.
RHIC, una struttura per l'utente del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory, fa scontrare fasci di particelle pesanti come i nuclei degli atomi d'oro per ricreare le condizioni estreme dell'universo primordiale, comprese temperature superiori a 250, 000 volte più caldo del centro del sole. Le collisioni fondono i protoni e i neutroni degli atomi, liberando momentaneamente i loro elementi costitutivi interni - quark e gluoni - che sono esistiti come particelle libere un milionesimo di secondo dopo il Big Bang. Il rivelatore STAR cattura le tracce delle particelle che emergono dalle collisioni in modo che i fisici nucleari possano conoscere i quark e i gluoni e la forza che li lega in particelle più familiari mentre il plasma caldo di quark e gluoni si raffredda.
L'aggiornamento del rivelatore STAR della "camera di proiezione temporale interna, " o iTPC, è stato completato appena in tempo per la serie di collisioni di quest'anno al RHIC. Aumenta la capacità del rivelatore di catturare le particelle che emergono vicino alla linea di luce nelle direzioni "avanti" e "indietro", così come le particelle con basso momento.
"Con l'aggiornamento del TPC interno, possiamo aumentare drasticamente la copertura del rivelatore e il numero totale di particelle che possiamo misurare in un dato evento, " disse Grazyna Odyniec, capogruppo del gruppo Relativistic Nuclear Collisions del Lawrence Berkeley National Laboratory, che si occupava della costruzione delle originali STAR TPC e dei componenti meccanici dei nuovi settori.
Parte del team che installa nuovi settori per la camera di proiezione temporale interna (iTPC) presso STAR (da sinistra a destra):Saehanseul Oh, Prashanth Shanmuganathan, Roberto Soia, Bill Struble, Peng Liu, e Rahul Sharma. Credito:Brookhaven National Laboratory
Elettronica restringente, più istantanee
Un elemento chiave dell'aggiornamento è stato l'incorporazione di un'elettronica di lettura avanzata, che hanno fatto molta strada da quando il TPC originale di STAR è stato assemblato al Berkeley Lab alla fine degli anni '90.
"Poiché l'elettronica di lettura è diventata molto più piccola, ora installiamo molti più sensori nei settori interni, ", ha affermato il fisico del Brookhaven Lab Flemming Videbaek, responsabile del progetto per l'aggiornamento. Anche l'elettronica è diventata molto più veloce. Ciò significa che il rilevatore può eseguire "istantanee" più frequentemente per acquisire maggiori dettagli sui percorsi delle singole particelle. Un campionamento più frequente consente inoltre a STAR di accedere alle particelle che in precedenza erano state perse nelle misurazioni con il rivelatore.
"Ora siamo in grado di ricostruire tracce che erano semplicemente troppo corte per essere viste dal rilevatore, " disse Daniele Cebra, un fisico dell'Università della California, Davis, e un leader dello sforzo iTPC. "Queste tracce più corte provengono da particelle che sono state emesse con un angolo basso, ovvero vicino alla linea di luce nella direzione degli ioni in collisione, o hanno un basso momento e sono quindi accartocciate mentre si muovono attraverso il campo magnetico del rivelatore".
Il rivelatore STAR del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ha le dimensioni di una piccola casa. Cattura istantanee di tracce lasciate da migliaia di particelle create quando due ioni d'oro si scontrano. Gli aggiornamenti al nucleo interno di STAR ora consentono al rivelatore di tracciare ancora più particelle, compresi quelli con basso slancio e quelli che emergono vicino alla linea di luce.
Catturare queste particelle a basso angolo e a basso momento darà agli scienziati STAR molti più dati con cui lavorare mentre cercano i segni della transizione di fase del plasma quark-gluone, l'obiettivo principale del Beam Energy Scan II di RHIC.
Sforzo collaborativo
Costruire componenti per il potenziamento del rivelatore e assemblarli in tempo per le collisioni a bassa energia che sono iniziate a febbraio è stato uno sforzo collaborativo e globale.
Un team dell'Instituto de Física da Universidade de São Paulo in Brasile ha progettato i chip principali per la nuova elettronica di lettura del segnale, che sono stati incorporati nell'assemblaggio finale dal gruppo di elettronica Brookhaven Lab STAR. Gli scienziati del Berkeley Lab guidati da Jim Thomas e Howard Wieman hanno preparato le parti meccaniche dei nuovi settori, incluso "rifilare" l'allineamento dei telai in alluminio per soddisfare le specifiche di progettazione entro 50 micron in tutte le dimensioni. E gran parte della saggezza e dei metodi del team di Berkeley sono stati determinanti nel guidare l'assemblaggio dei componenti dei fili dei settori da parte dei collaboratori di STAR in Cina.
Una vista laterale delle tracce di particelle (a sinistra) e dei colpi (a destra) da una collisione in STAR, come registrato dai nuovi settori iTPC (in alto) rispetto ai vecchi settori (in basso). Nota come i nuovi settori registrano più hit per traccia, particolarmente vicino alla linea di luce, così come tracce ad angoli più avanti e indietro (più a sinistra ea destra in questa vista). Credito:Brookhaven National Laboratory
Ciascuno dei 24 settori di tracciamento delle particelle dell'iTPC contiene 1500 fili sottili disposti in tre strati che amplificano i segnali, stabilire un campo elettrico che guida le particelle, e controlla quali tracce vengono registrate su STAR. Questi fili dovevano essere montati con estrema precisione per mantenere la stessa distanza relativa tra gli strati, entro 10 micron, o milionesimi di metro.
"Abbiamo acquisito esperienza costruendo un piccolo prototipo ancor prima che il progetto fosse finalizzato, e poi quando fu, abbiamo costruito una versione a grandezza naturale, " disse Qinghua Xu, un fisico all'Università di Shandong, che ha guidato lo sforzo cinese. Quando hanno completato il primo prototipo completo nel 2017, l'hanno mandato a Brookhaven per un test.
"Per la corsa 2018, abbiamo sostituito uno dei vecchi settori con il nuovo prototipo, e ha confermato che ha funzionato come previsto, " Ha detto Videbaek. "Questo ci ha dato fiducia che eravamo pronti a costruire e installare gli altri 23 settori".
Il montaggio di 1500 fili sottili disposti in tre strati su ciascuno dei 24 nuovi settori iTPC ha richiesto pazienza, la pratica, e precisione. Credito:Università di Shandong
Corsa contro il tempo
Il team di Brookhaven ha iniziato a installare i settori nell'ottobre 2018.
"È stata una specie di gara con il tempo, " Ha detto Videbaek. "Abbiamo installato l'ultima elettronica poco prima di Natale e poi, a gennaio, riempì il TPC con la sua miscela di gas argon/metano e iniziò a raccogliere dati cosmici, " Egli ha detto.
Gli scienziati usano i raggi cosmici (particelle cariche provenienti dallo spazio) - che attraversano il tetto a una velocità di circa 150 al secondo - per calibrare il rilevatore e assicurarsi che tutto funzioni.
Quando a febbraio sono arrivate le prime collisioni a bassa energia, il team STAR era pronto con un rivelatore di nuova efficienza completamente funzionante.
"Siamo grati a tutti i membri del team che hanno contribuito a rendere questo aggiornamento un successo, " ha detto Videbaek.
