Poco prima dell'inizio della corsa di quest'anno al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura utente dell'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory del DOE, un team di scienziati, ingegneri, tecnici, e gli studenti hanno completato l'installazione di nuovi importanti componenti del rivelatore STAR del collider. Questo tracker di particelle delle dimensioni di una casa (il Solenoidal Tracker presso RHIC) cattura i detriti subatomici creati quando i nuclei atomici si scontrano in modo che gli scienziati possano conoscere gli elementi costitutivi della materia. I nuovi componenti amplieranno la capacità di STAR di tracciare getti di particelle che emergono in una direzione estrema "in avanti", cioè vicino alla linea di luce attraverso la quale le particelle viaggiano mentre si scontrano.

Il rilevamento del getto in avanti sarà importante per apprendere come i componenti interni di protoni e neutroni, quark e gluoni, contribuiscono alle proprietà complessive di questi elementi costitutivi della materia.

"I jet sono ottimi surrogati di quark e gluoni, ", ha affermato Elke-Caroline Aschenauer, fisica del Brookhaven Lab, che guida l'aggiornamento in avanti di STAR. "Se misuri l'energia di tutte le particelle che compongono un getto, quindi fondamentalmente sai tutto sul quark o gluone che ha prodotto quel getto durante la collisione:la sua energia, direzione, e spin." La misurazione di molti getti consentirà agli scienziati di mappare la struttura 3-D del protone, compresa la disposizione e lo spin dei quark e dei gluoni all'interno.

La nuova attrezzatura non sarà utilizzata per misurazioni fisiche fino al prossimo anno di esperimenti RHIC ad alta energia. Ma avere i componenti principali, due tipi di calorimetri, installati per la corsa a basso consumo di quest'anno offre ai fisici la possibilità di calibrare l'attrezzatura e risolvere eventuali intoppi.

"Possiamo usare questo tempo per far funzionare tutti i sistemi di acquisizione dati, testare i canali di lettura, e commissiona la nostra configurazione di trigger", il sistema che decide, in una frazione di secondo, quali collisioni registrare e quali lanciare, disse Aschenauer.

Separati da spazio e tempo

Rispettare la scadenza per l'inizio della corsa RHIC di quest'anno nel bel mezzo di una pandemia globale non è stato un compito da poco.

"Volevamo che molti 'utenti' accademici dell'esperimento STAR e i loro studenti andassero a Brookhaven per assemblare e installare i componenti, ma con il covid che è diventato molto complicato, " disse Oleg Tsai, un utente STAR dell'UCLA e la mente creativa dietro il design del rivelatore avanzato.

Anziché, il progetto è andato avanti come una collaborazione separata dallo spazio e dal tempo.

"Gli utenti STAR delle università di tutto il paese hanno lavorato per costruire e testare componenti con gli studenti, inclusi alcuni che vivevano troppo lontano da casa per viaggiare durante il blocco, " disse Tsai.

Per mantenere la distanza sociale, "ci siamo naturalmente divisi in gruppi mattutini e pomeridiani, " disse David Kapukchyan, uno studente laureato che ha aiutato ad assemblare componenti presso l'Università della California, Lungofiume. "Abbiamo dovuto lasciare delle note l'uno per l'altro in modo che ogni gruppo sapesse cosa doveva fare per il loro tempo in laboratorio".

"Questa esperienza mi ha fornito una visione approfondita di come si uniscono rivelatori di queste dimensioni e della quantità di lavoro necessaria per costruirli, " Ha aggiunto.

Questo ha soddisfatto un obiettivo chiave per Scott Wissink, un utente STAR e professore di fisica all'Università dell'Indiana, che ha coordinato la proposta di finanziare questo lavoro attraverso il programma Major Research Instrumentation (MRI) della National Science Foundation, che prevedeva nello specifico il sostegno alla partecipazione degli studenti delle dieci università che componevano il consorzio del progetto.

"Oltre all'acquisto di materiali e attrezzature, abbiamo anche chiesto fondi per supportare la forza lavoro tecnica necessaria presso le singole università, e soprattutto per fornire opportunità agli studenti di essere coinvolti nel collaudo e nell'assemblaggio dei componenti, " ha detto. "Questa esperienza non solo garantirà di avere l'attrezzatura giusta per eseguire le misurazioni, ma li preparerà anche a guidare la prossima generazione di esperimenti di fisica".

Assemblaggio assistito

"I pezzi sono stati prodotti e consegnati da ogni parte del mondo—Indiana, Pennsylvania, California, Illinois, Texas, persino Cina e Giappone. Quando non riuscivamo a procurarci la carta igienica ricevevamo scintillatori, "Aschenauer ha osservato, descrivendo plastica speciale che rileva le particelle di luce. Quindi tutti i pezzi, decine di migliaia di componenti, dovevano essere assemblati e installati in modo simile a Lego, strato per strato, lei disse.

Alcuni studenti sono stati finalmente in grado di aiutare.

"Avevo intenzione di venire a Brookhaven per i miei studi di dottorato prima che colpisse la pandemia di COVID, " ha detto Erik Loyd, un altro studente universitario alla UC Riverside. "Anche se il mio viaggio è stato inizialmente ritardato, Alla fine mi sono trasferito a New York e ho messo in quarantena per un mese prima di venire al laboratorio per aiutare con l'installazione."

Ma con molti meno studenti disponibili rispetto ai tempi normali, i leader del progetto si sono rivolti ai tecnici del gruppo Beam &Experimental Services (B&ES) di Brookhaven e del gruppo Collider-Accelerator Support (CAS) per ulteriore assistenza.

Brendan Hoy, un membro del CAS, ha osservato che i compiti 24 ore su 24 del suo gruppo in genere consistono nel rispondere a problemi relativi alle apparecchiature in tempo reale - risoluzione dei problemi ed esecuzione di manutenzione correttiva su cose come alimentatori e magneti - oltre a costruire, installazione, e mantenere vari sistemi elettronici intorno al complesso. "Il lavoro che svolgiamo per la manutenzione degli alimentatori STAR e la natura incentrata sull'elettronica dei miei compiti regolarmente assegnati mappati su questo rilevatore si installano molto bene, ", ha detto. "Date le circostanze straordinariamente difficili che il 2020 ha portato a tutti noi, Ho trovato l'opportunità di lavorare su un progetto al di fuori del normale ambito del mio ruolo molto positiva".

"I tecnici del reparto Collider-Accelerator (CAD), lavorando con il gruppo di supporto tecnico STAR, ha fatto un ottimo lavoro installando i calorimetri e le loro strutture di supporto, "ha detto Rahul Sharma, Ingegnere capo di STAR. "Il lavoro è andato due volte più veloce di quanto inizialmente previsto, con gruppi che lavorano in turni alternati al mattino e al pomeriggio per impilare più strati dei blocchi del rivelatore. È stata una vera sfida cercare di coordinare tutto questo per oltre tre mesi per completare l'installazione."

"Abbiamo dovuto superare molte sfide durante la costruzione di questi rilevatori in un luogo e un lasso di tempo così ristretto, " ha detto Travis Herbst, un tecnico in B&ES. "A causa dello spazio limitato, abbiamo dovuto installare un nastro trasportatore provvisorio che ci ha permesso di trasferire quasi 10, 000 blocchi assorbitori in acciaio del peso di 15 tonnellate e 20, 000 pin utilizzati per tenerli insieme sotto la linea del raggio in modo da poter costruire i rilevatori su entrambi i lati".

Adriano Timone, un altro tecnico B&ES, ha aggiunto:"Abbiamo anche dovuto mantenere la distanza sociale durante tutte le ore lavorative necessarie per l'installazione del rilevatore, ispezionando e mantenendo tutti i blocchi e i perni puliti da detriti o deformità, in quanto tali difetti potrebbero causare problemi con la struttura interna del rilevatore."

"La cosa più sorprendente per me sono stati tutti questi piccoli dettagli di cui non si legge in un libro di testo quando descrivono questi calorimetri, " ha detto Kapukchyan di UC Riverside, che si recò anche a Long Island per l'assemblea. "Hai letto della fisica di come le particelle perdono energia e di come calcolarla, ma tutti questi piccoli dettagli costruttivi, come come srotolare correttamente i cavi, vengono lasciati fuori. Essere coinvolti [in tutte le fasi di questo progetto] è stata una grande esperienza per me e sicuramente mi aiuterà nei miei sforzi futuri, " Egli ha detto.

Far progredire la scienza

Gli assemblaggi del calorimetro simil-Lego, ora completi, verranno uniti, dopo la corsa di quest'anno, da alcuni componenti aggiuntivi:due tipi di rilevatori di tracciamento per individuare particelle con diverse cariche elettriche. L'intero sistema sarà quindi pronto per raccogliere dati fisici nella corsa RHIC 2022.

Posizionato a un'estremità della camera di proiezione temporale a forma di botte del rivelatore STAR, i calorimetri e gli inseguitori cattureranno i getti che emergono ad angoli molto vicini alla linea di luce di RHIC, uscendo a quell'estremità della canna. Lo studio di quei particolari getti è importante perché danno agli scienziati l'accesso ai quark e ai gluoni che trasportano una percentuale molto alta o molto bassa della quantità di moto complessiva del protone (o del nucleo).

I getti prodotti dalla dispersione dei tre principali quark di valenza che costituiscono un protone trasportano una grande percentuale della quantità di moto complessiva della particella. Ma un protone è molto più complesso di quei tre quark principali. All'interno c'è un brulicante microcosmo di coppie di quark e antiquark che fluttuano dentro e fuori dall'esistenza. I gluoni, giustamente chiamati perché incollano insieme i quark, sono ancora più misteriosi. Si dividono e si moltiplicano e, ad alte energie, può dominare completamente la struttura del protone. Ciascuno di questi gluoni trasporta una piccola percentuale della quantità di moto complessiva del protone. Ma poiché ce ne sono così tanti, gli scienziati ritengono che la loro influenza combinata svolga un ruolo smisurato nello stabilire le proprietà del protone. Da qui la motivazione a studiare getti generati da questi gluoni "a bassa frazione di momento".

"Queste misurazioni ci aiuteranno a cercare prove che gli ioni d'oro con cui collidiamo al RHIC diventino pareti dense di gluoni, e che questo stato saturo di gluoni è responsabile di proprietà chiave come lo spin e la massa del protone, come suggerito da molti dei risultati che abbiamo già osservato al RHIC, " Disse Aschenau.

Le misurazioni aiuteranno anche a gettare le basi per il tracciamento dei jet al futuro Electron-Ion Collider (EIC). L'EIC è una nuova struttura di fisica nucleare DOE all'avanguardia che sarà costruita presso il Brookhaven Lab in collaborazione con la Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) per espandere la portata degli scienziati nelle frontiere della fisica nucleare.

"Il design del calorimetro adronico di cui stiamo parlando per l'EIC ha componenti sostanzialmente identici a quello che fa parte di questo aggiornamento, in modo che parte di questo progetto serva da prototipo per i futuri componenti del rivelatore EIC, " Disse Aschenau.