Los primeros aplastamientos de dos nuevos tipos de partículas en el colisionador de iones pesados ​​relativista (RHIC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Para la investigación de la física nuclear en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, ofrecerán una nueva perspectiva de los efectos del magnetismo. en la bola de fuego de materia creada en estas colisiones. El logro de este objetivo principal de la carrera de 15 semanas del 18 ° año de RHIC se basará en más de una década de experiencia acumulada, mejoras en los componentes del colisionador y del detector, y un esfuerzo de colaboración con socios en todo el complejo DOE y en todo el mundo.

Los físicos también realizarán dos tipos diferentes de colisiones con iones de oro a bajas energías, incluyendo colisiones de iones de oro con un objetivo estacionario. Estas colisiones ayudarán a los científicos a comprender mejor la materia exótica creada en las colisiones de mayor energía del RHIC. incluyendo la fuerza de su campo magnético y cómo evoluciona de una sopa caliente de los bloques de construcción fundamentales de la materia (quarks y gluones) a los protones y neutrones ordinarios que constituyen la mayor parte de la materia visible en el universo actual.

Como beneficio adicional, o mejor dicho, un testimonio de la eficiencia del personal del acelerador RHIC:el equipo de colisionadores-aceleradores también implementará y perfeccionará varias tecnologías importantes para la investigación futura de la física nuclear.

"De alguna manera, esta carrera es la culminación de dos décadas de desarrollo de instalaciones, "dijo Wolfram Fischer, Cátedra Asociada de Aceleradores en el Departamento de Aceleradores-Colisionadores (C-AD) de Brookhaven Lab. "Haremos uso de muchas herramientas que hemos desarrollado durante muchos años, que ahora necesitamos todos al mismo tiempo. Toda esta experiencia en C-AD y el apoyo del DOE y otros laboratorios se unieron para hacer esto posible ".

Helen Caines, un físico de la Universidad de Yale que se desempeña como co-portavoz del experimento STAR de RHIC, estuvo de acuerdo y expresó su agradecimiento por la versatilidad y capacidad únicas de RHIC para empacar tanto en tan poco tiempo. "¡Serán 15 semanas muy ocupadas!" ella dijo.

Estudiar efectos magnéticos

RHIC choca iones (por ejemplo, los núcleos de átomos pesados, como el oro, que han sido despojados de sus electrones) para "fundir" sus protones y neutrones y liberar los bloques de construcción internos de esas partículas, conocidos como quarks y gluones. La creación de este "plasma de quark-gluón" imita las condiciones del universo primitivo y ofrece a los científicos una forma de explorar la fuerza que gobierna cómo interactúan estas partículas fundamentales. Los físicos nucleares realizan estos estudios rastreando las partículas que emergen de las colisiones.

Un hallazgo intrigante de una ejecución anterior en RHIC fue la observación de las diferencias en la forma en que las partículas cargadas negativa y positivamente fluyen desde la bola de fuego creada cuando chocan dos iones de oro. Los científicos sospechan que esta separación de carga se desencadena en parte por algo llamado "efecto magnético quiral", una interacción entre el poderoso campo magnético generado cuando los iones cargados positivamente chocan ligeramente fuera del centro (produciendo una masa arremolinada de materia cargada) y cada partícula individual. "quiralidad". La quiralidad es la mano derecha o izquierda de una partícula, que depende de si está girando en sentido horario o antihorario en relación con su dirección de movimiento. Según este entendimiento, la separación de carga debería hacerse más fuerte a medida que aumenta la fuerza del campo magnético, que es exactamente lo que los científicos de STAR están probando en la Prueba 18.

"En lugar de oro, estamos usando colisiones con dos 'isobaras' diferentes:isótopos de átomos que tienen la misma masa pero diferente número de protones, y por tanto diferentes niveles de carga positiva, ", dijo Caines. Las colisiones de dos iones de rutenio (número de masa 96 con 44 protones) crearán un campo magnético que es un 10 por ciento más fuerte que las colisiones de dos iones de circonio (número de masa 96 con solo 40 protones), ella dijo.

"Mantenemos todo lo demás igual:el tamaño del núcleo, la energía, y el número total de partículas que participan en la colisión. Incluso cambiaremos de una especie de iones a la otra casi día a día para eliminar cualquier variación que pueda causar la ejecución de los dos tipos de colisiones con semanas de diferencia. Dado que lo único que estamos variando es el campo magnético, esto debería ser una prueba definitiva del efecto magnético quiral ".

Un resultado positivo probaría que las colisiones están creando un campo magnético muy fuerte, "el más fuerte jamás observado, ", Dijo Caines." También sería una prueba definitiva de que las colisiones están creando un medio formado por quarks y gluones libres, un plasma de quark-gluón, con un desequilibrio de partículas de la mano izquierda y derecha impulsadas por fluctuaciones cuánticas ".

Obtención y preparación de isótopos

Aunque la cantidad de materia necesaria para colisionar los iones individuales es extremadamente pequeña (¡RHIC usará mucho menos de un gramo de oro en todos sus años de operación!), La obtención de ciertos isótopos raros puede ser un desafío. El circonio-96 (la forma necesaria para estos experimentos) constituye menos del tres por ciento del suministro natural de este elemento, mientras que el rutenio-96 constituye menos del seis por ciento.

"Si acaba de utilizar material natural para las fuentes de iones que alimentan a RHIC, la intensidad del haz sería demasiado baja para recopilar los datos necesarios, ", dijo Fischer." Puede comprar muestras enriquecidas de circonio, pero no existe una fuente comercial de rutenio enriquecido ".

Afortunadamente, hay una nueva instalación para dicho enriquecimiento de isótopos en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del DOE, la planta prototipo de isótopos estables enriquecidos (ESIPP), que calentó el material natural y separó electromagnéticamente las diferentes masas. ESIPP es parte del Programa de Isótopos del DOE y comenzó a operar en el año fiscal 2018, restablecer una capacidad nacional general para enriquecer isótopos estables.

"Con la ayuda del Programa de isótopos del DOE en la Oficina de Ciencias, ORNL nos puso en la parte superior de su lista de prioridades para proporcionar medio gramo de este material, un pequeño frasco con un poco de 'polvo' en la parte inferior, a tiempo para la ejecución, "Dijo Fischer.

Los iones de rutenio comienzan su camino de aceleración en el acelerador Tandem Van De Graaff de Brookhaven. Para no desperdiciar nada del preciado suministro de iones, el equipo de Tandem, dirigido por Peter Thieberger, primero realizó pruebas con formas de rutenio de mayor abundancia, asegurándose de que tuvieran la intensidad de haz necesaria. Para los experimentos reales, diluyen la muestra de rutenio con aluminio para esparcir el suministro. Una vez acelerado, los iones se agrupan y esos grupos se combinan en grupos cada vez más compactos a medida que circulan a través del anillo Booster y el Sincrotrón de gradiente alterno (AGS), ganando energía en cada paso antes de ser inyectado en los dos anillos de circunferencia de 2.4 millas que circulan en contracorriente para colisiones a 200 mil millones de electronvoltios (GeV).

Para obtener los iones de circonio para las colisiones en los días alternos, el equipo de Brookhaven, dirigido por Masahiro Okamura, buscó la ayuda de Hiromitsu Haba y sus colegas en el laboratorio RIKEN de Japón que habían tenido experiencia con objetivos de circonio. "Compartieron generosamente todo lo que saben sobre la transformación del circonio en objetivos de óxido que podríamos utilizar para extraer los iones, "Dijo Fischer.

Los científicos eliminan estos objetivos de óxido de circonio con un láser en la fuente de iones láser de Brookhaven para crear un plasma que contiene iones de circonio cargados positivamente. Luego, esos iones ingresan a la fuente de iones de haz de electrones (EBIS) para transformarse en un haz. De EBIS, la viga de circonio sigue un camino similar al del rutenio, con los iones fusionándose en racimos cada vez más apretados y ganando energía en el Booster y AGS antes de ser inyectados en RHIC. Otro equipo más:los propios químicos de Brookhaven del Programa de Investigación y Producción de Isótopos Médicos, dirigido por Cathy Cutler, recupera el material sobrante del objetivo y lo vuelve a procesar para crear nuevos objetivos, de modo que no quede ningún material isotópico valioso sin utilizar.

El hecho de que los dos tipos de iones ingresen al RHIC de diferentes fuentes hace que sea más fácil cambiar de rutenio a circonio día a día. "Estas son dos especies de iones algo exóticas, por eso queríamos dos fuentes independientes que se pudieran optimizar y ejecutar de forma independiente, "Dijo Fischer." Si te quedas sin una sola fuente, es más difícil obtener el mejor rendimiento de ambos ".

Una vez que cualquiera de los conjuntos de iones entra en el colisionador, Las mejoras adicionales realizadas en RHIC a lo largo de los años ayudan a maximizar el número de colisiones que producen datos. Más significativamente, una técnica llamada "enfriamiento estocástico, "implementado durante esta ejecución por Kevin Mernick, detecta cuando las partículas dentro de los rayos se esparcen (se calientan), y envía señales correctivas a los dispositivos por delante de los iones acelerados para empujarlos hacia atrás en paquetes apretados.

"Sin enfriamiento estocástico sería muy difícil, si no imposible, alcanzar los objetivos experimentales porque perderíamos muchos iones". "Dijo Fischer." Y no podríamos hacer esto sin todas las diferentes partes en DOE y en Brookhaven. Necesitábamos todo nuestro conocimiento de origen en EBIS y en el Tandem, y necesitábamos colaboradores de RIKEN, ORNL, y nuestros químicos en el Programa de Isótopos en Brookhaven también. Ha sido un esfuerzo de colaboración asombroso ".

"El cambio de una especie a otra todos los días nunca se había hecho antes en un colisionador, "Dijo Fischer." Greg Marr, el Coordinador RHIC Run este año, necesita aprovechar todas las herramientas disponibles para realizar estas transiciones de la forma más rápida y fluida posible ".

Más para aprender del oro-oro

Siguiendo la carrera de isobaras, Los físicos de STAR también estudiarán dos tipos de colisiones oro-oro. Primero, en colisiones de rayos de oro a 27 GeV, buscarán efectos diferenciales en cómo emergen las partículas llamadas lambdas y las partículas antilambda con carga opuesta. El seguimiento de lambdas condujo recientemente al descubrimiento de que el plasma de quark-gluón de RHIC es el fluido de giro más rápido jamás encontrado. Medir la diferencia en cómo se comportan las lambdas y sus contrapartes de antipartículas les daría a los científicos de STAR una forma precisa de medir la fuerza del campo magnético que causa esta "vorticidad".

"Esto nos ayudará a mejorar nuestros cálculos del efecto magnético quiral porque tendríamos una medida real de la contribución magnética. Hasta ahora, esos valores se han basado puramente en cálculos teóricos, "Dijo Caines.

En la fase final de la carrera, Los físicos del acelerador configurarán RHIC para que se ejecute como un experimento de objetivo fijo. En lugar de estrellar dos haces juntos en colisiones frontales, golpearán un rayo de iones de oro contra una lámina de oro colocada dentro del detector STAR. El centro de la energía de colisión de masas, 3,2 GeV, será menor que en cualquier ejecución anterior de RHIC. Estas colisiones probarán para ver si una señal que los científicos vieron a energías más altas (grandes fluctuaciones en la producción de protones) se apaga. La desaparición de esta señal podría indicar que las fluctuaciones observadas a energías más altas estaban asociadas con un llamado "punto crítico" en la transición de quarks y gluones libres a materia ordinaria. La búsqueda de este punto, un conjunto particular de condiciones de temperatura y presión donde cambia el tipo de transformación de fase, ha sido otro objetivo de investigación importante en RHIC.

Estas colisiones de energía más baja también formarán el comienzo del siguiente "escaneo de energía del haz, "una serie de colisiones en una amplia gama de energías que comenzarán en serio el próximo año, Dijo Caines. Ese trabajo se basará en los resultados de esfuerzos anteriores para mapear las diversas fases de la materia de quarks-gluones.

Puesta a punto de las tecnologías de aceleradores y detectores

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. Éstos incluyen:

• 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, Alemania.
• 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, Talla, 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. En este 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.