As primeiras colisões de dois novos tipos de partículas no Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​(RHIC) - uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) para pesquisas de física nuclear no Laboratório Nacional de Brookhaven - oferecerão novas percepções sobre os efeitos do magnetismo na bola de fogo da matéria criada nessas colisões. Alcançar este objetivo principal da execução de 15 semanas do 18º ano do RHIC contará com mais de uma década de experiência acumulada, melhorias nos componentes do colisor e detector, e um esforço colaborativo com parceiros em todo o complexo DOE e em todo o mundo.

Os físicos também realizarão dois tipos diferentes de colisões com íons de ouro em baixas energias, incluindo colisões de íons de ouro com um alvo estacionário. Essas colisões ajudarão os cientistas a entender melhor a matéria exótica criada nas colisões de maior energia do RHIC, incluindo a força de seu campo magnético e como ele evolui de uma sopa quente de blocos de construção fundamentais da matéria (quarks e glúons) para os prótons e nêutrons comuns que constituem a maior parte da matéria visível no universo hoje.

Como um bônus - ou melhor, uma prova da eficiência da equipe do acelerador RHIC - a equipe do acelerador do colisor também implementará e fará o ajuste fino de várias tecnologias importantes para futuras pesquisas em física nuclear.

"De certa forma, essa corrida é o culminar de duas décadas de desenvolvimento de instalações, "disse Wolfram Fischer, Presidente Associado para Aceleradores no Departamento de Aceleradores-Aceleradores (C-AD) do Brookhaven Lab. “Faremos uso de muitas ferramentas que desenvolvemos ao longo de muitos anos, que agora precisamos todos ao mesmo tempo. Todo esse conhecimento em C-AD e o suporte do DOE e de outros laboratórios se juntaram para tornar isso possível. "

Helen Caines, um físico da Universidade de Yale que atua como co-porta-voz do experimento STAR do RHIC, concordou e expressou seu apreço pela versatilidade única de RHIC e capacidade de embalar tanto em tão pouco tempo. "Serão 15 semanas agitadas!" ela disse.

Estudando efeitos magnéticos

RHIC colide íons (por exemplo, os núcleos de átomos pesados, como o ouro, que foram despojados de seus elétrons) para "derreter" seus prótons e nêutrons e libertar os blocos de construção internos dessas partículas, conhecidos como quarks e glúons. A criação deste "plasma quark-gluon" imita as condições do universo primordial e dá aos cientistas uma maneira de explorar a força que governa como essas partículas fundamentais interagem. Os físicos nucleares conduzem esses estudos rastreando as partículas que emergem das colisões.

Uma descoberta intrigante de uma corrida anterior no RHIC foi uma observação das diferenças em como partículas carregadas negativamente e positivamente fluem para fora da bola de fogo criada quando dois íons de ouro colidem. Os cientistas suspeitam que essa separação de carga é desencadeada em parte por algo chamado de "efeito magnético quiral" - uma interação entre o poderoso campo magnético gerado quando os íons carregados positivamente colidem ligeiramente fora do centro (produzindo uma massa rodopiante de matéria carregada) e cada partícula individual "quiralidade". A quiralidade é a destreza de uma partícula ou canhota, que depende se ele está girando no sentido horário ou anti-horário em relação à sua direção de movimento. De acordo com este entendimento, a separação de carga deve ficar mais forte à medida que a força do campo magnético aumenta - que é exatamente o que os cientistas do STAR estão testando na corrida 18.

"Em vez de ouro, estamos usando colisões com dois 'isóbaros' diferentes - isótopos de átomos que têm a mesma massa, mas diferentes números de prótons, e, portanto, diferentes níveis de carga positiva, "disse Caines. As colisões de dois íons de rutênio (número de massa 96 com 44 prótons) criarão um campo magnético que é 10 por cento mais forte do que as colisões de dois íons de zircônio (número de massa 96 com apenas 40 prótons), ela disse.

"Estamos mantendo tudo o mais igual - o tamanho do núcleo, a energia, e o número total de partículas que participam da colisão. Estaremos até trocando de uma espécie de íon para outra quase diariamente para eliminar qualquer variação que os dois tipos de colisões possam causar com semanas de intervalo. Uma vez que a única coisa que estamos variando é o campo magnético, este deve ser um teste definitivo do efeito magnético quiral. "

Um resultado positivo provaria que as colisões estão criando um campo magnético muito forte - "o mais forte já observado, "Caines disse." Também seria a prova definitiva de que as colisões estão criando um meio feito de quarks e glúons livres, um plasma quark-gluon, com um desequilíbrio de partículas canhotas e destras impulsionadas por flutuações quânticas. "

Obtenção e preparação dos isótopos

Embora a quantidade de matéria necessária para colidir íons individuais seja extremamente pequena (o RHIC usará muito menos do que um grama de ouro em todos os seus anos de operação!), obter certos isótopos raros pode ser desafiador. Zircônio-96 (a forma necessária para esses experimentos) constitui menos de três por cento do suprimento natural deste elemento, enquanto o rutênio-96 representa menos de seis por cento.

"Se você apenas usou material natural para as fontes de íons que alimentam RHIC, a intensidade do feixe seria muito baixa para coletar os dados necessários, "disse Fischer." Você pode comprar amostras enriquecidas de zircônio, mas não existe uma fonte comercial de rutênio enriquecido. "

Felizmente, há uma nova instalação para tal enriquecimento de isótopos no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do DOE, a Planta de Protótipo de Isótopo Estável Enriquecido (ESIPP), que aquecia o material natural e separava eletromagneticamente as diferentes massas. ESIPP faz parte do Programa de Isótopos DOE e iniciou as operações no ano fiscal de 2018, restabelecer uma capacidade doméstica geral para enriquecer isótopos estáveis.

"Com a ajuda do DOE Isotope Program no Office of Science, O ORNL nos colocou no topo de sua lista de prioridades para fornecer meio grama deste material - um pequeno frasco com um pouco de 'poeira' no fundo - a tempo para a corrida, "Fischer disse.

Os íons de rutênio iniciam seu caminho de aceleração no acelerador Tandem Van De Graaff de Brookhaven. Para não desperdiçar nenhum do precioso suprimento de íons, a equipe Tandem, liderado por Peter Thieberger, primeiro executou testes com formas de maior abundância de rutênio, certificando-se de que eles teriam a intensidade do feixe necessária. Para os experimentos reais, eles diluem a amostra de rutênio com alumínio para distribuir o suprimento. Uma vez acelerado, os íons se agrupam e esses cachos se combinam em grupos cada vez mais compactos conforme circulam através do anel de reforço e do Síncrotron de Gradiente Alternado (AGS), ganhando energia em cada etapa antes de ser injetado nos dois anéis de circunferência de 2,4 milhas em contra-circulação do RHIC para colisões a 200 bilhões de elétron-volts (GeV).

Para obter os íons de zircônio para colisões nos dias alternados, a equipe Brookhaven, liderado por Masahiro Okamura, procurou a ajuda de Hiromitsu Haba e colegas do laboratório RIKEN do Japão que tinham experiência com alvos de zircônio. "Eles generosamente compartilharam tudo o que sabem sobre a transformação de zircônio em alvos de óxido que poderíamos usar para extrair os íons, "Fischer disse.

Cientistas atingem esses alvos de óxido de zircônio com um laser na fonte de íons a laser de Brookhaven para criar um plasma contendo íons de zircônio carregados positivamente. Esses íons então entram na Fonte de Íons de Feixe de Elétrons (EBIS) para serem transformados em um feixe. Da EBIS, o feixe de zircônio segue um caminho semelhante ao do rutênio, com os íons se fundindo em cachos cada vez mais apertados e ganhando energia no Booster e AGS antes de serem injetados no RHIC. Ainda outra equipe - os próprios químicos de Brookhaven do Programa de Pesquisa e Produção de Isótopos Médicos, liderado por Cathy Cutler - recupera restos de material alvo e reprocessá-lo para fazer novos alvos, de modo que nenhum material isotópico valioso fique sem uso.

Ter os dois tipos de íons entrando no RHIC de fontes diferentes torna mais fácil mudar do rutênio para o zircônio no dia a dia. "Estas são duas espécies de íons um tanto exóticas, então queríamos duas fontes independentes que pudessem ser otimizadas e executadas de forma independente, "Fischer disse." Se vocês dois saírem da mesma fonte, é mais difícil obter o melhor desempenho de ambos. "

Uma vez que qualquer conjunto de íons entra no colisor, melhorias adicionais feitas no RHIC ao longo dos anos ajudam a maximizar o número de colisões de produção de dados. Mais significativamente, uma técnica chamada "resfriamento estocástico, "implementado durante esta execução por Kevin Mernick, detecta quando as partículas dentro dos feixes se espalham (aquecem), e envia sinais corretivos para dispositivos à frente dos íons em alta velocidade para colocá-los de volta em pacotes compactos.

"Sem o resfriamento estocástico seria muito difícil, senão impossível, atingir os objetivos experimentais porque perderíamos muitos íons, "Fischer disse." E não poderíamos fazer isso sem todas as partes diferentes no DOE e em Brookhaven. Precisávamos de todo o nosso conhecimento de origem no EBIS e no Tandem, e precisávamos de colaboradores de RIKEN, ORNL, e também nossos químicos do Programa de Isótopos em Brookhaven. Tem sido um esforço colaborativo incrível. "

"Mudar de uma espécie para outra todos os dias nunca foi feito antes em um colisor, "Fischer disse." Greg Marr, o RHIC Run Coordinator este ano, precisa aproveitar todas as ferramentas disponíveis para fazer essas transições o mais rápida e perfeitamente possível. "

Mais para aprender com ouro-ouro

Seguindo a execução isobar, Os físicos do STAR também irão estudar dois tipos de colisões ouro-ouro. Primeiro, em colisões de vigas de ouro a 27 GeV, eles procurarão efeitos diferenciais em como as partículas chamadas lambdas e partículas antilambda de carga oposta emergem. O rastreamento de lambdas recentemente levou à descoberta de que o plasma quark-gluon do RHIC é o fluido giratório mais rápido já encontrado. Medir a diferença no comportamento dos lambdas e de suas antipartículas daria aos cientistas do STAR uma maneira precisa de medir a força do campo magnético que causa essa "vorticidade".

"Isso nos ajudará a melhorar nossos cálculos do efeito magnético quiral porque teríamos uma medição real da contribuição magnética. Até agora, esses valores foram baseados puramente em cálculos teóricos, "Disse Caines.

Na fase final da corrida, os físicos do acelerador irão configurar o RHIC para funcionar como um experimento de alvo fixo. Em vez de colidir dois feixes juntos em colisões frontais, eles vão lançar um feixe de íons de ouro em uma folha de ouro colocada dentro do detector STAR. O centro de energia de colisão de massa, 3,2 GeV, será menor do que em qualquer execução anterior do RHIC. Essas colisões serão testadas para ver se um sinal que os cientistas viram em energias mais altas - grandes flutuações na produção de prótons - é desligado. O desaparecimento deste sinal poderia indicar que as flutuações observadas em energias mais altas estavam associadas a um chamado "ponto crítico" na transição de quarks e glúons livres para a matéria comum. A busca por este ponto - um conjunto particular de condições de temperatura e pressão onde o tipo de transformação de fase muda - tem sido outro grande objetivo de pesquisa no RHIC.

Essas colisões de energia mais baixa também formarão o início da próxima "varredura de energia do feixe, "uma série de colisões em uma ampla gama de energias começando para valer no próximo ano, Disse Caines. Esse trabalho terá como base os resultados de esforços anteriores para mapear as várias fases da matéria quark-gluon.

Ajustando tecnologias de detector e acelerador

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. Esses incluem:

• 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, Alemanha.
• 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, Tamanho, 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. In this system, 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.