Pouco antes do início da corrida deste ano no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - uma instalação do usuário do Departamento de Energia do Departamento de Ciências dos EUA para pesquisa de física nuclear no Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE - uma equipe de cientistas, engenheiros, técnicos, e os alunos concluíram a instalação de novos componentes importantes do detector STAR do colisor. Este rastreador de partículas do tamanho de uma casa (o Solenoidal Tracker no RHIC) captura os detritos subatômicos criados quando os núcleos atômicos colidem para que os cientistas possam aprender sobre os blocos de construção da matéria. Os novos componentes irão expandir a capacidade do STAR de rastrear jatos de partículas emergentes em uma direção extrema "para frente", ou seja, perto da linha de luz através da qual as partículas viajam enquanto colidem.

A detecção de jato direto será importante para aprender como os componentes internos de prótons e nêutrons - quarks e glúons - contribuem para as propriedades gerais desses blocos de construção da matéria.

"Os jatos são excelentes substitutos para quarks e glúons, "disse a física do Brookhaven Lab, Elke-Caroline Aschenauer, quem lidera a atualização direta do STAR. "Se você medir a energia de todas as partículas que compõem um jato, então você basicamente sabe tudo sobre o quark ou gluon que produziu aquele jato durante a colisão - sua energia, direção, e spin. "Medir muitos jatos permitirá aos cientistas mapear a estrutura 3-D do próton, incluindo o arranjo e rotação dos quarks e glúons internos.

O novo equipamento não será usado para medições físicas até a execução de experimentos RHIC em alta energia no próximo ano. Mas ter os componentes principais - dois tipos de calorímetros - instalados para a corrida de baixa energia deste ano dá aos físicos a chance de calibrar o equipamento e resolver quaisquer problemas.

"Podemos usar esse tempo para colocar todos os sistemas de aquisição de dados em execução, teste os canais de leitura, e comissionar nossa configuração de gatilho "- o sistema que decide, em uma fração de segundo, quais colisões registrar e quais lançar, Aschenauer disse.

Separado por espaço e tempo

Cumprir o prazo para o início da execução do RHIC deste ano em meio a uma pandemia global não foi uma tarefa fácil.

"Queríamos que muitos 'usuários' acadêmicos do experimento STAR e seus alunos fossem a Brookhaven para montar e instalar os componentes, mas com COVID, isso se tornou muito complicado, "disse Oleg Tsai, um usuário STAR da UCLA e a mente criativa por trás do design do detector frontal.

Em vez de, o projeto avançou como uma colaboração separada por espaço e tempo.

"Os usuários do STAR em universidades de todo o país trabalharam para construir e testar componentes com os alunos, incluindo alguns que moravam muito longe de casa para viajar durante o bloqueio, "Tsai disse.

Para manter distância social, "naturalmente nos dividimos em grupos de manhã e à tarde, "disse David Kapukchyan, um estudante de graduação que ajudou a montar componentes na Universidade da Califórnia, Riverside. "Tivemos que deixar anotações um para o outro, para que cada grupo soubesse o que tinha de fazer durante o tempo no laboratório."

"Esta experiência me deu uma ótima visão de como detectores desse tamanho se combinam e a quantidade de trabalho necessária para construí-los, " ele adicionou.

Isso satisfez um objetivo importante para Scott Wissink, usuário do STAR e professor de física na Universidade de Indiana, que coordenou a proposta de financiar este trabalho por meio do programa Major Research Instrumentation (MRI) da National Science Foundation, que incluiu especificamente o apoio à participação dos alunos nas dez universidades que integraram o consórcio do projeto.

“Além de comprar materiais e equipamentos, também solicitamos fundos para apoiar a força de trabalho técnica necessária em cada universidade, e, especialmente, para fornecer oportunidades para os alunos se envolverem no teste e montagem dos componentes, "disse ele." Esta experiência não só vai garantir que temos o equipamento certo para realizar as medições, mas também os preparará para liderar a próxima geração de experimentos de física. "

Montagem assistida

"As peças foram produzidas e entregues de todos os lugares do mundo - Indiana, Pensilvânia, Califórnia, Illinois, Texas - até China e Japão. Quando não conseguíamos papel higiênico, estávamos recebendo cintiladores, "Aschenauer observou, descrevendo plástico especial que detecta partículas de luz. Em seguida, todas as peças - dezenas de milhares de componentes - tiveram que ser montadas e instaladas de forma semelhante a Lego, camada por camada, ela disse.

No final das contas, alguns alunos conseguiram ajudar.

"Eu tinha planos de vir a Brookhaven para meus estudos de doutorado antes que a pandemia de COVID atingisse, "disse Erik Loyd, outro estudante de graduação na UC Riverside. "Embora minha viagem tenha sido inicialmente atrasada, Acabei me mudando para Nova York e fiquei em quarentena por um mês antes de vir para o laboratório para ajudar na instalação. "

Mas com muito menos alunos disponíveis do que em tempos normais, os líderes do projeto recorreram aos técnicos do grupo Beam &Experimental Services (B&ES) e do grupo Collider-Accelerator Support (CAS) da Brookhaven para obter assistência adicional.

Brendan Hoy, um membro do CAS, observou que as funções de seu grupo 24 horas por dia normalmente consistem em responder a problemas de equipamentos em tempo real - solução de problemas e realização de manutenção corretiva em coisas como fontes de alimentação e ímãs - bem como construção, instalando, e manutenção de vários sistemas eletrônicos em todo o complexo. "O trabalho que fazemos mantendo as fontes de alimentação STAR e a natureza centrada na eletrônica de minhas funções regularmente atribuídas mapeadas neste detector são muito bem instaladas, "disse ele." Dadas as circunstâncias excepcionalmente difíceis que 2020 trouxe para todos nós, Descobri que a oportunidade de trabalhar em um projeto fora do escopo normal de minha função foi bem-vinda. "

"Os técnicos do Departamento do Collider-Accelerator (CAD), trabalhando com o Grupo de Suporte Técnico STAR, fez um ótimo trabalho ao instalar os calorímetros e suas estruturas de suporte, "disse Rahul Sharma, Engenheiro-chefe da STAR. "O trabalho foi duas vezes mais rápido do que o inicialmente previsto, com grupos trabalhando em turnos alternados de manhã e à tarde para empilhar várias camadas de blocos detectores. Foi um verdadeiro desafio tentar coordenar tudo isso por mais de três meses para concluir a instalação. "

"Tivemos que superar muitos desafios ao construir esses detectores em um local e prazo tão apertados, "disse Travis Herbst, um técnico em B&ES. "Devido ao espaço limitado, tivemos que instalar uma correia transportadora temporária que nos permitiu transferir quase 10, 000 blocos absorvedores de aço pesando 15 toneladas e 20, 000 pinos usados ​​para mantê-los juntos sob a linha de feixe para que pudéssemos construir os detectores em ambos os lados. "

Adrian Timon, outro técnico da B&ES, acrescentou:"Também tivemos que manter distância social durante todas as horas de trabalho necessárias para instalar o detector, inspecionando e mantendo todos os blocos e pinos limpos de detritos ou deformidades, pois esses defeitos podem causar problemas com a estrutura interna do detector. "

"A coisa mais incrível para mim foram todos esses pequenos detalhes que você não lê em um livro quando eles descrevem esses calorímetros, "disse Kapukchyan da UC Riverside, que também viajou para Long Island para a assembléia. "Você leu sobre a física de como as partículas perdem energia e como calculá-la, mas todos esses pequenos detalhes de construção, como como desenrolar cabos corretamente, são deixados de fora. Estar envolvido [em todas as fases deste projeto] foi uma grande experiência para mim e certamente me ajudará em meus empreendimentos futuros, " ele disse.

Impulsionando a ciência

Os conjuntos de calorímetro tipo Lego agora completos serão unidos, depois da corrida deste ano, por alguns componentes adicionais - dois tipos de detectores de rastreamento para discernir partículas com diferentes cargas elétricas. Todo o sistema estará então pronto para coletar dados físicos na execução do 2022 RHIC.

Posicionado em uma extremidade da Câmara de Projeção de Tempo em forma de barril do detector STAR, os calorímetros e rastreadores irão capturar jatos que emergem em ângulos muito próximos da linha de luz do RHIC, saindo nessa extremidade do cano. Estudar esses jatos em particular é importante porque eles dão aos cientistas acesso aos quarks e glúons que carregam uma porcentagem muito alta ou muito baixa do momentum geral do próton (ou núcleo).

Os jatos produzidos pelo espalhamento dos três quarks de valência principais que constituem um próton carregam uma grande porcentagem do momento geral da partícula. Mas um próton é muito mais complexo do que esses três quarks principais. Dentro, há um microcosmo abundante de pares de quarks e antiquark que entram e saem da existência. Os glúons - apropriadamente chamados porque colam os quarks - são ainda mais misteriosos. Eles se dividem e se multiplicam e, em altas energias, pode dominar completamente a estrutura do próton. Cada um desses glúons carrega uma pequena porcentagem do momento geral do próton. Mas porque há tantos deles, os cientistas acreditam que sua influência combinada desempenha um papel desproporcional no estabelecimento das propriedades do próton. Daí a motivação para estudar jatos gerados por esses glúons de "fração de baixo momento".

"Essas medições nos ajudarão a buscar evidências de que os íons de ouro que colidimos no RHIC se tornam paredes densas de glúons, e que este estado saturado de glúons é responsável por propriedades-chave, como rotação e massa do próton, como sugerido por muitas das descobertas que já observamos no RHIC, "Disse Aschenauer.

As medições também ajudarão a estabelecer as bases para o rastreamento de jatos no futuro Colisor Eletron-Íon (EIC). O EIC é uma nova instalação de física nuclear do DOE de última geração a ser construída no Brookhaven Lab em colaboração com a Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) para expandir o alcance dos cientistas nas fronteiras da física nuclear.

"O design do calorímetro hadrônico de que estamos falando para o EIC tem componentes que são basicamente idênticos ao que faz parte desta atualização, de modo que parte deste projeto serve como um protótipo para os futuros componentes do detector EIC, "Disse Aschenauer.