Justo antes del inicio de la carrera de este año en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. Para la investigación de física nuclear en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del DOE, un equipo de científicos, ingenieros técnicos, y los estudiantes completaron la instalación de importantes componentes nuevos del detector STAR del colisionador. Este rastreador de partículas del tamaño de una casa (el rastreador solenoidal en RHIC) captura los desechos subatómicos creados cuando los núcleos atómicos chocan para que los científicos puedan aprender sobre los componentes básicos de la materia. Los nuevos componentes ampliarán la capacidad de STAR para rastrear chorros de partículas que emergen en una dirección "hacia adelante" extrema, es decir, cerca de la línea de luz a través de la cual viajan las partículas cuando chocan.

La detección del chorro directo será importante para aprender cómo los componentes internos de los protones y neutrones (quarks y gluones) contribuyen a las propiedades generales de estos componentes básicos de la materia.

"Los chorros son excelentes sustitutos de los quarks y gluones, "dijo la física de Brookhaven Lab, Elke-Caroline Aschenauer, que lidera la actualización avanzada de STAR. "Si mides la energía de todas las partículas que forman un chorro, entonces básicamente sabes todo sobre el quark o gluón que produjo ese chorro durante la colisión:su energía, dirección, y girar ". Medir muchos chorros permitirá a los científicos trazar un mapa de la estructura tridimensional del protón, incluyendo la disposición y el giro de los quarks y gluones dentro.

El nuevo equipo no se utilizará para mediciones físicas hasta la ejecución del próximo año de experimentos RHIC a alta energía. Pero tener los componentes principales (dos tipos de calorímetros) instalados para la ejecución de baja energía de este año les da a los físicos la oportunidad de calibrar el equipo y resolver cualquier problema.

"Podemos utilizar este tiempo para poner en funcionamiento todos los sistemas de adquisición de datos, probar los canales de lectura, y comisionar nuestra configuración de activador ", el sistema que decide, en una fracción de segundo, qué colisiones registrar y cuáles arrojar, Aschenauer dijo.

Separado por espacio y tiempo

Cumplir con la fecha límite para el inicio de la carrera RHIC de este año en medio de una pandemia global no fue una tarea fácil.

"Queríamos tener muchos 'usuarios' académicos del experimento STAR y sus estudiantes fueran a Brookhaven para ensamblar e instalar los componentes, pero con COVID, eso se volvió muy complicado, "dijo Oleg Tsai, un usuario de STAR de UCLA y la mente creativa detrás del diseño del detector frontal.

En lugar de, el proyecto avanzó como una colaboración separada por espacio y tiempo.

"Los usuarios de STAR en universidades de todo el país trabajaron para construir y probar componentes con estudiantes, incluidos algunos que vivían demasiado lejos de casa para viajar durante el encierro, "Dijo Tsai.

Para mantener la distancia social, "naturalmente nos dividimos en grupos de mañana y tarde, "dijo David Kapukchyan, un estudiante de posgrado que ayudó a ensamblar componentes en la Universidad de California, Orilla. "Tuvimos que dejar notas el uno al otro para que cada grupo supiera lo que tenían que hacer durante su tiempo en el laboratorio".

"Esta experiencia me ha proporcionado una gran comprensión de cómo se combinan los detectores de este tamaño y la cantidad de trabajo que se necesita para construirlos. "añadió.

Eso satisfizo un objetivo clave para Scott Wissink, un usuario de STAR y profesor de física en la Universidad de Indiana, quien coordinó la propuesta para financiar este trabajo a través del programa Major Research Instrumentation (MRI) de la National Science Foundation, que incluyó específicamente el apoyo a la participación de los estudiantes de las diez universidades que integraban el consorcio del proyecto.

"Además de comprar materiales y equipos, también solicitamos fondos para apoyar la fuerza laboral técnica requerida en las universidades individuales, y especialmente para brindar oportunidades para que los estudiantes se involucren en la prueba y el ensamblaje de los componentes, ", dijo." Esta experiencia no solo garantizará que tengamos el equipo adecuado para realizar las mediciones, pero también los preparará para liderar la próxima generación de experimentos de física ".

Montaje asistido

"Las piezas se produjeron y entregaron desde todas partes del mundo:Indiana, Pensilvania, California, Illinois, Texas, incluso China y Japón. Cuando no podíamos conseguir papel higiénico, recibíamos centelleadores, "Aschenauer señaló, describiendo plástico especial que detecta partículas de luz. Luego, todas las piezas, decenas de miles de componentes, tuvieron que ensamblarse e instalarse al estilo de Lego, capa por capa, ella dijo.

Algunos estudiantes finalmente pudieron ayudar.

"Tenía planes de venir a Brookhaven para realizar mis estudios de doctorado antes de que llegara la pandemia de COVID, "dijo Erik Loyd, otro estudiante de posgrado en UC Riverside. "Aunque mi viaje se retrasó inicialmente, Terminé mudándome a Nueva York y en cuarentena durante un mes antes de venir al laboratorio para ayudar con la instalación ".

Pero con muchos menos estudiantes disponibles que en tiempos normales, los líderes del proyecto se dirigieron a los técnicos del grupo Beam &Experimental Services (B&ES) de Brookhaven y al grupo Collider-Accelerator Support (CAS) para obtener asistencia adicional.

Brendan Hoy, un miembro de CAS, señaló que las tareas de su grupo las 24 horas del día generalmente consisten en responder a problemas de equipos en tiempo real, solucionar problemas y realizar mantenimiento correctivo en cosas como fuentes de alimentación e imanes, así como en la construcción, instalación y mantenimiento de varios sistemas electrónicos alrededor del complejo. "El trabajo que hacemos manteniendo las fuentes de alimentación STAR y la naturaleza centrada en la electrónica de mis tareas asignadas regularmente en este detector se instalan muy bien, ", dijo." Dadas las circunstancias excepcionalmente difíciles que nos trajo 2020 a todos, Encontré que la oportunidad de trabajar en un proyecto fuera del alcance normal de mi función fue bien recibida ".

"Los técnicos del Departamento de Aceleradores de Colisionadores (CAD), trabajar con el Grupo de soporte técnico de STAR, hizo un gran trabajo instalando los calorímetros y sus estructuras de soporte, "dijo Rahul Sharma, Ingeniero jefe de STAR. "El trabajo fue dos veces más rápido de lo previsto originalmente, con grupos que trabajan en turnos alternos por la mañana y por la tarde para apilar múltiples capas de los bloques detectores. Fue un verdadero desafío intentar coordinar todo esto durante más de tres meses para completar la instalación ".

"Tuvimos que superar muchos desafíos mientras construíamos estos detectores en una ubicación y un marco de tiempo tan estrechos, "dijo Travis Herbst, un técnico en B&ES. "Debido al espacio limitado, tuvimos que instalar una cinta transportadora temporal que nos permitió transferir casi 10, 000 bloques absorbentes de acero con un peso de 15 toneladas y 20, Se utilizaron 000 pines para mantenerlos juntos debajo de la línea del haz de modo que pudiéramos construir los detectores en ambos lados ".

Adrián Timón, otro técnico de B&ES, agregó:"También tuvimos que mantener la distancia social durante todas las horas de trabajo necesarias para instalar el detector mientras inspeccionábamos y manteníamos todos los bloques y clavijas limpios de escombros o deformidades, ya que tales defectos podrían causar problemas con la estructura interna del detector ".

"Lo más sorprendente para mí fueron todos estos pequeños detalles sobre los que no se lee en un libro de texto cuando describen estos calorímetros, "dijo Kapukchyan de UC Riverside, quien también viajó a Long Island para la asamblea. "Lees sobre la física de cómo las partículas pierden energía y cómo calcularla, pero todos estos pequeños detalles de construcción, como cómo desenrollar correctamente los cables, quedan fuera. Estar involucrado [en todas las etapas de este proyecto] fue una gran experiencia para mí y sin duda me ayudará en mis esfuerzos futuros. " él dijo.

Impulsando la ciencia

Se unirán los conjuntos de calorímetros similares a Lego ahora completos, después de la carrera de este año, por unos pocos componentes adicionales, dos tipos de detectores de rastreo para discernir partículas con diferentes cargas eléctricas. Todo el sistema estará listo para recopilar datos físicos en la ejecución del RHIC de 2022.

Colocado en un extremo de la cámara de proyección de tiempo en forma de barril del detector STAR, los calorímetros y rastreadores capturarán chorros que emergen en ángulos muy cercanos a la línea de luz de RHIC, saliendo por ese extremo del cañón. Estudiar esos chorros en particular es importante porque brindan a los científicos acceso a los quarks y gluones que transportan un porcentaje muy alto o muy bajo del impulso general del protón (o del núcleo).

Los chorros producidos por la dispersión de los tres quarks de valencia principales que componen un protón transportan un gran porcentaje del impulso general de la partícula. Pero un protón es mucho más complejo que esos tres quarks principales. En el interior hay un microcosmos repleto de pares de quarks y antiquark que entran y salen de la existencia. Los gluones, llamados acertadamente porque unen a los quarks, son aún más misteriosos. Se dividen y se multiplican y, a altas energías, puede dominar completamente la estructura del protón. Cada uno de estos gluones transporta un pequeño porcentaje del impulso general del protón. Pero debido a que hay tantos, Los científicos creen que su influencia combinada juega un papel enorme en el establecimiento de las propiedades del protón. De ahí la motivación para estudiar los chorros generados por estos gluones de "fracción de momento baja".

"Estas mediciones nos ayudarán a buscar evidencia de que los iones de oro que chocamos en RHIC se conviertan en densas paredes de gluones, y que este estado saturado de los gluones es responsable de propiedades clave como el giro y la masa del protón, como sugieren muchos de los hallazgos que ya hemos observado en RHIC, "Aschenauer dijo.

Las mediciones también ayudarán a sentar las bases para el seguimiento de chorros en el futuro Colisionador de iones de electrones (EIC). El EIC es una nueva instalación de física nuclear del DOE de última generación que se construirá en Brookhaven Lab en colaboración con Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) para expandir el alcance de los científicos hacia las fronteras de la física nuclear.

"El diseño del calorímetro hadrónico del que estamos hablando para el EIC tiene componentes que son básicamente idénticos al que forma parte de esta actualización, para que parte de este proyecto sirva como prototipo para los futuros componentes del detector EIC, "Dijo Aschenauer.