Esta vista final de un evento de colisión de baja energía en STAR muestra pistas de partículas a la derecha y "impactos" del detector de los cuales se derivan pistas a la izquierda. Tenga en cuenta la abundancia de golpes registrados por los nuevos sectores internos del detector, que mejoran enormemente la capacidad de los científicos para reconstruir pistas. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Para los científicos que siguen la transformación de protones y neutrones, los componentes de los núcleos atómicos que componen todo lo que vemos en el universo hoy en día, en una sopa de bloques de construcción fundamentales conocida como plasma de quark-gluón, más es mejor. Más pistas de partículas, es decir. Gracias a una actualización recién instalada del detector STAR en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), Los físicos nucleares ahora tienen más pistas de partículas que nunca para comprender la transición crucial de construcción de materia que ejecutó este proceso a la inversa hace casi 14 mil millones de años.
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, colisiona haces de partículas pesadas como los núcleos de átomos de oro para recrear las condiciones extremas del universo primitivo. incluyendo temperaturas superiores a 250, 000 veces más caliente que el centro del sol. Las colisiones derriten los protones y neutrones de los átomos, liberando momentáneamente sus bloques de construcción internos, quarks y gluones, que existieron por última vez como partículas libres una millonésima de segundo después del Big Bang. El detector STAR captura pistas de partículas que emergen de las colisiones para que los físicos nucleares puedan aprender sobre los quarks y gluones, y la fuerza que los une en partículas más familiares a medida que se enfría el plasma caliente de quarks y gluones.
La actualización del detector STAR de la "cámara de proyección de tiempo interna, "o iTPC, se completó justo a tiempo para la serie de colisiones de este año en RHIC. Aumenta la capacidad del detector para capturar partículas que emergen cerca de la línea de luz en las direcciones "hacia adelante" y "hacia atrás", así como partículas con poco impulso.
"Con la actualización del TPC interno, podemos aumentar drásticamente la cobertura del detector y el número total de partículas que podemos medir en cualquier evento dado, "dijo Grazyna Odyniec, líder de grupo del grupo de Colisiones Nucleares Relativistas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que fue responsable de la construcción del STAR TPC original y de los componentes mecánicos de los nuevos sectores.
Parte del equipo que instala nuevos sectores para la cámara de proyección temporal interna (iTPC) en STAR (de izquierda a derecha):Saehanseul Oh, Prashanth Shanmuganathan, Robert Soja, Bill Struble, Peng Liu, y Rahul Sharma. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Electrónica que se encoge, más instantáneas
Un elemento clave de la actualización fue la incorporación de electrónica de lectura avanzada, que han recorrido un largo camino desde que se ensambló el TPC original de STAR en Berkeley Lab a fines de la década de 1990.
"Debido a que la electrónica de lectura se ha vuelto mucho más pequeña, ahora colocamos muchos más sensores en los sectores internos, "dijo el físico de Brookhaven Lab Flemming Videbaek, gerente de proyecto para la actualización. La electrónica también se ha vuelto mucho más rápida. Eso significa que el detector puede tomar "instantáneas" con más frecuencia para capturar más detalles sobre las trayectorias de partículas individuales. Un muestreo más frecuente también le da a STAR acceso a las partículas que se perdieron previamente en las mediciones con el detector.
"Ahora podemos reconstruir pistas que eran simplemente demasiado cortas para que las viera el detector, "dijo Daniel Cebra, un físico de la Universidad de California, Davis, y líder del esfuerzo de iTPC. "Estas pistas más cortas provienen de partículas que se emitieron en un ángulo bajo, es decir, cerca de la línea de luz en la dirección de los iones en colisión, o tienen un impulso bajo y, por lo tanto, se enrollan a medida que se mueven a través del campo magnético del detector".
El detector STAR en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) es del tamaño de una casa pequeña. Captura instantáneas de huellas dejadas por miles de partículas creadas cuando chocan dos iones de oro. Las actualizaciones al núcleo interno de STAR ahora permiten que el detector rastree aún más partículas, incluidos aquellos con poco impulso y los que emergen cerca de la línea de luz.
La captura de estas partículas de bajo ángulo y bajo momento proporcionará a los científicos de STAR muchos más datos con los que trabajar mientras buscan signos de la transición de la fase de plasma de quark-gluón, el objetivo principal del Beam Energy Scan II de RHIC.
Esfuerzo colaborativo
Construir componentes para la mejora del detector y ensamblarlos a tiempo para las colisiones de baja energía que comenzaron en febrero fue un esfuerzo de colaboración y global.
Un equipo del Instituto de Física da Universidade de São Paulo en Brasil diseñó los chips principales para la nueva electrónica de lectura de señales, que fueron incorporados en el ensamblaje final por el grupo de electrónica Brookhaven Lab STAR. Los científicos del Berkeley Lab, liderados por Jim Thomas y Howard Wieman, prepararon las partes mecánicas de los nuevos sectores, incluyendo "recortar" la alineación de los marcos de aluminio para que coincida con las especificaciones de diseño dentro de 50 micrones en todas las dimensiones. Y gran parte de la sabiduría y los métodos del equipo de Berkeley fueron fundamentales para guiar el ensamblaje de los componentes de alambre de los sectores por parte de los colaboradores de STAR en China.
Una vista lateral de pistas de partículas (izquierda) y golpes (derecha) de una colisión en STAR, según lo registrado por los nuevos sectores de iTPC (arriba) en comparación con los sectores antiguos (abajo). Observe cómo los nuevos sectores registran más hits por pista, especialmente cerca de la línea de luz, así como pistas en ángulos más hacia adelante y hacia atrás (más a la izquierda y a la derecha en esta vista). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Cada uno de los 24 sectores de seguimiento de partículas del iTPC contiene 1500 cables delgados dispuestos en tres capas que amplifican las señales, establecer un campo eléctrico guía de partículas, y controlar qué pistas se graban en STAR. Estos cables debían montarse con extrema precisión para mantener la misma distancia relativa entre las capas, dentro de 10 micrones, o millonésimas de metro.
"Ganamos experiencia construyendo un pequeño prototipo incluso antes de que se finalizara el diseño, y luego cuando fue, creamos una versión de tamaño completo, "dijo Qinghua Xu, un físico de la Universidad de Shandong, quien lideró el esfuerzo chino. Cuando completaron el primer prototipo completo en 2017, lo enviaron a Brookhaven para una prueba.
"Para la carrera de 2018, reemplazamos uno de los sectores antiguos con el nuevo prototipo, y confirmó que funcionó como se esperaba, "Eso nos dio la confianza de que estábamos listos para construir e instalar los otros 23 sectores", dijo Videbaek.
El montaje de 1500 cables delgados dispuestos en tres capas en cada uno de los 24 nuevos sectores de iTPC requirió paciencia, práctica, y precisión. Crédito:Universidad de Shandong
Carrera contra el tiempo
El equipo de Brookhaven comenzó a instalar sectores en octubre de 2018.
"Fue una carrera con el tiempo, ", Dijo Videbaek." Instalamos los últimos dispositivos electrónicos justo antes de Navidad y luego, en Enero, llenó el TPC con su mezcla de gas argón / metano y comenzó a tomar datos cósmicos, " él dijo.
Los científicos usan rayos cósmicos (partículas cargadas del espacio exterior), que atraviesan el techo a una velocidad de aproximadamente 150 por segundo, para calibrar el detector y asegurarse de que todo funcione.
Cuando se produjeron las primeras colisiones de baja energía en febrero, el equipo STAR estaba listo con un detector de nueva eficiencia en pleno funcionamiento.
"Estamos agradecidos con todos los miembros del equipo que ayudaron a que esta actualización fuera un éxito, "Dijo Videbaek.
