Esta visão final de um evento de colisão de baixa energia na STAR mostra as trilhas de partículas à direita e os "hits" do detector a partir das quais as trilhas são derivadas à esquerda. Observe a abundância de acessos registrados pelos novos setores internos do detector, que aumentam muito a capacidade dos cientistas de reconstruir trilhas. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Para cientistas que rastreiam a transformação de prótons e nêutrons - os componentes dos núcleos atômicos que constituem tudo o que vemos no universo hoje - em uma sopa de blocos de construção fundamentais conhecidos como plasma quark-gluon, mais é melhor. Mais trilhas de partículas, isso é. Graças a uma atualização recém-instalada do detector STAR no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), os físicos nucleares agora têm mais rastros de partículas do que nunca para obter uma visão sobre a transição crucial de construção de matéria que executou esse processo ao contrário, quase 14 bilhões de anos atrás.
RHIC - uma instalação do Departamento de Energia do Departamento de Ciências dos Estados Unidos para pesquisas de física nuclear no Laboratório Nacional de Brookhaven - colide feixes de partículas pesadas, como os núcleos de átomos de ouro, para recriar as condições extremas do universo primordial, incluindo temperaturas acima de 250, 000 vezes mais quente que o centro do sol. As colisões derretem os prótons e nêutrons dos átomos, libertando momentaneamente seus blocos de construção internos - quarks e glúons - que existiram como partículas livres um milionésimo de segundo após o Big Bang. O detector STAR captura rastros de partículas que emergem das colisões para que os físicos nucleares possam aprender sobre os quarks e glúons - e a força que os liga em partículas mais familiares conforme o plasma quente do quark-gluon esfria.
A atualização do detector STAR da "Câmara de Projeção do Tempo interna, "ou iTPC, foi concluído bem a tempo para a série de colisões deste ano no RHIC. Ele aumenta a capacidade do detector de capturar partículas que emergem perto da linha de luz nas direções "para frente" e "para trás", bem como partículas com baixo momentum.
"Com a atualização do TPC interno, podemos aumentar drasticamente a cobertura do detector e o número total de partículas que podemos medir em qualquer evento, "disse Grazyna Odyniec, líder do grupo de colisões nucleares relativísticas do Lawrence Berkeley National Laboratory, que foi responsável pela construção do STAR TPC original e pelos componentes mecânicos dos novos setores.
Parte da equipe de instalação de novos setores para a Câmara de Projeção do Tempo interna (iTPC) na STAR (da esquerda para a direita):Saehanseul Oh, Prashanth Shanmuganathan, Robert Soja, Bill Struble, Peng Liu, e Rahul Sharma. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Encolhendo eletrônicos, mais instantâneos
Um elemento-chave da atualização foi incorporar eletrônica de leitura avançada, que percorreu um longo caminho desde que o TPC original do STAR foi montado no Berkeley Lab no final dos anos 1990.
"Como os eletrônicos de leitura ficaram muito menores, agora encaixamos muitos mais sensores nos setores internos, "disse o físico do Brookhaven Lab, Flemming Videbaek, gerente de projeto para a atualização. A eletrônica também se tornou muito mais rápida. Isso significa que o detector pode fazer "instantâneos" com mais frequência para capturar mais detalhes sobre os caminhos das partículas individuais. A amostragem mais frequente também dá à STAR acesso a partículas que foram perdidas anteriormente nas medições com o detector.
"Agora somos capazes de reconstruir trilhas que eram simplesmente curtas demais para o detector ver, "disse Daniel Cebra, um físico da Universidade da Califórnia, Davis, e um líder do esforço iTPC. "Esses rastros mais curtos vêm de partículas que foram emitidas em um ângulo baixo - ou seja, perto da linha de luz na direção dos íons em colisão - ou têm um baixo momento e, portanto, são enroladas à medida que se movem através do campo magnético do detector."
O detector STAR no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) é do tamanho de uma pequena casa. Ele captura instantâneos de rastros deixados por milhares de partículas criadas quando dois íons de ouro colidem. As atualizações do núcleo interno do STAR agora permitem que o detector rastreie ainda mais partículas, incluindo aqueles com baixo momento e aqueles que emergem perto da linha de luz.
Capturar essas partículas de baixo ângulo e baixo momento dará aos cientistas do STAR muito mais dados para trabalhar enquanto procuram sinais da transição de fase do plasma quark-gluon - o principal objetivo do Beam Energy Scan II do RHIC.
Esforço colaborativo
Construir componentes para o aprimoramento do detector e montá-los a tempo para as colisões de baixa energia que começaram em fevereiro foi um esforço colaborativo - e global.
Uma equipe do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, no Brasil, projetou os principais chips para a nova eletrônica de leitura de sinal, que foram incorporados na montagem final pelo grupo de eletrônicos Brookhaven Lab STAR. Cientistas do Berkeley Lab liderados por Jim Thomas e Howard Wieman prepararam as partes mecânicas dos novos setores, incluindo "aparar" o alinhamento das armações de alumínio para corresponder às especificações de design dentro de 50 mícrons em todas as dimensões. E muito da sabedoria e métodos da equipe de Berkeley foram fundamentais para orientar a montagem dos componentes de fio dos setores por colaboradores da STAR na China.
Uma vista lateral de trilhas de partículas (esquerda) e hits (direita) de uma colisão no STAR, conforme registrado pelos novos setores iTPC (topo) em comparação com os setores antigos (parte inferior). Observe como os novos setores registram mais hits por faixa, especialmente perto da linha de luz, bem como trilhas em ângulos mais para frente e para trás (mais para a esquerda e para a direita nesta visualização). Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Cada um dos 24 setores de rastreamento de partículas do iTPC contém 1.500 fios finos dispostos em três camadas que amplificam os sinais, estabelecer um campo elétrico orientador de partículas, e controlar quais faixas são gravadas no STAR. Esses fios precisavam ser montados com extrema precisão para manter a mesma distância relativa entre as camadas - dentro de 10 mícrons, ou milionésimos de um metro.
"Ganhamos experiência construindo um pequeno protótipo antes mesmo de o projeto ser finalizado, e então quando foi, construímos uma versão em tamanho real, "disse Qinghua Xu, um físico da Universidade Shandong, que liderou o esforço chinês. Quando eles concluíram o primeiro protótipo completo em 2017, eles o enviaram a Brookhaven para um teste.
"Para a execução de 2018, substituímos um dos setores antigos pelo novo protótipo, e confirmou que funcionou conforme o esperado, "Videbaek disse." Isso nos deu confiança de que estávamos prontos para construir e instalar os outros 23 setores. "
A montagem de 1.500 fios finos dispostos em três camadas em cada um dos 24 novos setores iTPC exigiu paciência, prática, e precisão. Crédito:Shandong University
Corrida contra o tempo
A equipe da Brookhaven começou a instalar setores em outubro de 2018.
"Foi uma espécie de corrida com o tempo, "Videbaek disse." Instalamos os últimos aparelhos eletrônicos pouco antes do Natal e então, em janeiro, encheu o TPC com sua mistura de gás argônio / metano e começou a coletar dados cósmicos, " ele disse.
Os cientistas usam raios cósmicos (partículas carregadas do espaço sideral) - que passam pelo telhado a uma taxa de cerca de 150 por segundo - para calibrar o detector e garantir que tudo esteja funcionando.
Quando as primeiras colisões de baixa energia ocorreram em fevereiro, a equipe STAR estava pronta com um detector eficiente e totalmente funcional.
"Somos gratos a todos da equipe que ajudaram a tornar esta atualização um sucesso, "Videbaek disse.
