Как только будет достигнута эта экстремально отрицательная температура, позволяющая магнитам работать с нулевыми потерями энергии, физики начнут инжектировать пучки ионов золота и направлять их в лобовые столкновения почти со скоростью света. Эти столкновения создают температуры на противоположной крайности температурной шкалы — 4 триллиона градусов по Цельсию, или в 250 000 раз выше, чем центр Солнца, — чтобы произвести характерную для RHIC «идеальную» жидкую кварк-глюонную плазму, заменяющую то, что Вселенная была как мгновение после Большого взрыва.
Во время этого экспериментального цикла, 14-го числа, в этом научном пользовательском центре ядерной физики, ученые проведут подробные исследования свойств первичной плазмы и заполнят некоторые недостающие точки данных, чтобы отобразить ее переход в материю, которую мы видим сегодня во Вселенной.
«Этот запуск будет включать полный набор обновлений ускорителя и детектора, которые составляют программу« RHIC II »- резкое улучшение производительности машины, которое было достигнуто за небольшую часть затрат и на полдесятилетия раньше, чем первоначально предполагалось», — сказал Берндт Мюллер, заместитель директора лаборатории ядерной физики и физики элементарных частиц в Брукхейвене. «Особенно удачно, что мы получили хорошие новости о бюджете, которые позволят нам в полной мере использовать эти расширенные возможности с общим временем работы 22 недели», — сказал он.
По словам Вольфрама Фишера, заместителя председателя по ускорителям отделения коллайдеров-ускорителей Брукхейвена, RHIC обеспечит «интегральную светимость до 15 обратных наноразмеров» — это показатель количества столкновений — во время исследования физики этого года. Сравните это с 15 инверсными наноразмерными стержнями, созданными за весь набор столкновений тяжелых ионов RHIC, проведенных с момента начала операций в 2000 году, и вы поймете, почему Фишер говорит: «С точки зрения физики, этот запуск будет таким же хорошим, как и все предыдущие запуски вместе взятые."
Ускоритель продвигается
Одной из основных причин повышенной частоты столкновений является ряд инновационных методов, которые физики-ускорители RHIC установили за последние несколько лет, чтобы сжимать, «охлаждать» и подталкивать ионные пучки, чтобы частицы оставались плотно упакованными. Плотно упакованные частицы сталкиваются чаще, когда лучи пересекаются в точках взаимодействия RHIC.
Один из таких методов, называемый стохастическим охлаждением, использует электронные "датчики", размещенные вокруг кольца RHIC, для измерения крошечных случайных флуктуаций положения частиц по мере того, как лучи нагреваются и распространяются.
Эти устройства отправляют информацию через круговой ускоритель в место перед частицами со скоростью, близкой к скорости света, где электрические поля «отбрасывают» заряженные частицы обратно на место. Прогон 14 будет первым золотым и золотым запуском RHIC, в котором полностью реализовано стохастическое охлаждение для сжатия лучей в трех направлениях — по горизонтали, вертикали и спереди назад — в обоих кольцах RHIC.
«Мы использовали эту систему в 2012 году для столкновений урана с ураном и медью с золотом, — сказал Фишер, — но с тех пор мы модернизировали продольную систему для сжатия лучей вдоль направления луча, улучшив датчики и кикеры для лучшего обнаружения и исправить разброс частиц внутри ионных сгустков."
Чтобы еще лучше использовать охлаждаемые балки, координатор прогона RHIC Гийом Роберт-Демолез разработал новую схему, позволяющую сделать балки еще меньше в точках взаимодействия после уменьшения их размера.
Прогон 14 также выиграет от первого сверхпроводящего радиочастотного (ВЧ) резонатора, установленного на RHIC. Радиочастотные резонаторы — это то, что ускоряет и фокусирует ионные пучки, создавая сильные электромагнитные поля, которые постепенно подталкивают заряженные частицы к все более высокой энергии и не дают ионам слишком сильно разлетаться. Сверхпроводящие полости позволяют этим системам работать при более высоком напряжении, производя более мощный толчок.
«Эта новая ВЧ-система обеспечивает даже большую фокусирующую силу, чем обычные резонаторы, уже установленные в RHIC», — сказал Фишер. «Это будет его первый запуск, в основном ориентированный на ввод в эксплуатацию или тестирование, но мы надеемся увидеть некоторый вклад к концу цикла в улучшение яркости."
Даже до этого запуска RHIC имел в 15 раз большую яркость, для которой он был первоначально разработан. По словам Фишера, если все пойдет хорошо, в тесте 14 можно будет увеличить это число в 18 раз до проектной яркости.
Модернизация детекторов
Детекторы RHIC, STAR и PHENIX, готовы максимально использовать эту исключительно высокую частоту столкновений с новыми возможностями по обнаружению редких частиц, образующихся в плазме. К ним относятся частицы, состоящие из кварков, которые тяжелее, чем «верхние» и «нижние» кварки, обнаруженные в обычном веществе. В соответствии с их более экзотической природой, они носят причудливые названия «очарование» и «красота»."Частицы, состоящие из этих тяжелых кварков, живут, кажется, мимолетное мгновение, распадаясь за время, которое им требуется, чтобы пройти около 100 микрон — примерно ширину волоса.
Но даже этого короткого полета достаточно, чтобы самые чувствительные детекторы могли отслеживать и идентифицировать эти неуловимые частицы по продуктам их распада.
Устройство, установленное в STAR для выполнения этой задачи, называется Heavy Flavor Tracker (HFT). Это устройство стоимостью 15 миллионов долларов, частично построенное в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, было установлено непосредственно перед началом эксперимента после многих лет разработки. Это первый кремниевый детектор на коллайдере, в котором используется технология Monolithic Active Pixel Sensor — «та же технология». используются в цифровых камерах ", — сказал Джейми Данлоп из STAR, физик из Брукхейвена. "Его кремниевые сенсоры обладают беспрецедентной тонкостью — всего 50 микрон, что составляет примерно половину толщины человеческого волоса.
Их тонкость и высокое разрешение позволят изучить, как частицы, состоящие из тяжелых кварков, вытекают из кварк-глюонной плазмы RHIC."
Аналог PHENIX — кремниевый вершинный детектор бочкообразной формы в глубине эксперимента, с передним вершинным детектором на каждом конце ствола. «Эти кремниевые детекторы невероятно точны и позволяют нам находить треки частиц, которые не возникают непосредственно в результате столкновения золота с золотом, а вместо этого происходят на расстоянии нескольких десятков микрон — другими словами, треки частиц, которые, вероятно, пришли из распад тяжелых частиц, содержащих очаровательные или прекрасные кварки », — сказал Дэйв Моррисон из Брукхейвена, со-спикер коллаборации PHENIX.
«Обеспечение того, чтобы PHENIX успешно собирал данные, требует огромных, постоянных усилий в рамках всего сотрудничества», — сказал Моррисон. Человек, который руководит этим усилием для Run-14, — координатор прогона PHENIX Клаус Демельт из Университета Стоуни-Брук, который отметил: «Благодаря новым кремниевым детекторам PHENIX теперь имеет более четырех миллионов электронных каналов.
Это очень сложный и способный эксперимент, и я очень рад быть его частью!"
STAR также будет иметь полностью установленный детектор мюонного телескопа, построенный как часть продолжающегося успешного проекта U.S.-Сотрудничество Китая с дополнительными партнерами из Индии.
Этот детектор будет идентифицировать мюоны, более тяжелые аналоги электронов, испускаемые почти под прямым углом к встречным пучкам, где STAR уже измерял электроны. Сравнивая мюон-мюон с электронно-мюонными парами, физики STAR могут отделить образование очарования и красоты, а также различные связанные состояния этих тяжелых кварков от сияния электронных и мюонных пар, создаваемых высокотемпературной кварк-глюонной плазмой.
Благодаря этому обновлению STAR теперь может обнаруживать почти все типы частиц, появляющиеся почти под прямым углом к лучу, за исключением нейтральных адронов, таких как нейтроны, и нейтрино, которые пролетают через STAR (и почти все) без какого-либо взаимодействия.
Взвешиваются тяжелые частицы
Улучшенные возможности обоих детекторов, наряду с увеличением количества столкновений для анализа, позволят измерять, как ведут себя различные типы связанных состояний, состоящих из тяжелых кварк-антикварковых пар.
К наиболее редким из них относятся частицы Дж / пси (очаровывающий и античаровский кварк, связанные вместе) и частицы ипсилона (связанный вместе кварк красоты и анти-красоты).
Ожидается, что оба этих связанных состояния «расплавятся» в кварк-глюонной плазме, в результате чего будут обнаружены более низкие числа, чем было бы без образования кварк-глюонной плазмы. Поскольку они плавятся при разных температурах, незначительные вариации в их производстве могут служить мини-термометром для более точного измерения температуры внутри кипящего супа.
Кроме того, отслеживание этих редких тяжелых частиц позволит глубже понять способность плазмы течь с чрезвычайно низкой вязкостью или сопротивлением — свойство, которое, по-видимому, близко к нулю при столкновениях с самой высокой энергией RHIC, уровень, который считается «идеальным» для любой жидкости.
«Я думаю о кварк-глюонной плазме как о текущем потоке», — сказал физик из Университета Колорадо Джейми Нэгл, другой со-спикер PHENIX. "Если вы бросите в ручей небольшой камешек, если течение достаточно сильное, камешек может попасть в поток. Очаровательный кварк — это «камешек» среднего веса, а бьюти-кварк — тяжелый вес (примерно в 3 раза тяжелее, чем амулет). Сравнение того, как эти частицы текут, может рассказать вам о силе текущего потока и о том, насколько сильно он захватывает эти тяжелые кварки — «сила связи» QGP », — сказал он.
Измерения того, как тяжелые частицы взаимодействуют с плазмой, помогут ученым проверить ранние признаки того, что, несмотря на почти отсутствие трения в окружающей среде, некоторые частицы с большим импульсом «застревают» так же, как и частицы с меньшей энергией.
Это происходит, когда струи частиц образуются спина к спине у края взаимодействующей материи, причем струе приходится преодолевать большее расстояние через плазму, теряя больше энергии, чем струя с быстрым выходом. Это явление, «гашение струи», было одним из первых предсказанных признаков кварк-глюонной плазмы.
Исследования струй, состоящих из тяжелых кварков с более высоким импульсом, которые должны были пройти через плазму, проверит первые противоречивые наблюдения и, возможно, предложат понимание того, как плазма останавливает частицы с большим импульсом на их следах.
Исследование с более низкой энергией
Чтобы собрать данные, относящиеся к этим интригующим вопросам, физики будут запускать RHIC на полной энергии — 100 миллиардов электрон-вольт (ГэВ) на сталкивающийся протон или нейтрон (нуклон) — в течение 15 недель.
Но перед тем, как подняться до этого уровня, они проведут три недели столкновений в 7.3 ГэВ на нуклон. Это ниже начальной энергии, с которой лучи вводятся в RHIC, и является свидетельством универсальности машины для работы в широком диапазоне энергий.
Зачем отказываться от энергии?
Изучить пробелы в данных из недавнего "сканирования энергии пучка" RHIC — систематического исследования того, как материя превращается из обычных ядер в кварк-глюонную плазму в широком диапазоне энергий и плотностей частиц. Это исследование выявило интересные подробности о том, как поведение ядерной материи изменяется выше и ниже перехода, как изменяется сам тип фазового перехода при различных плотностях энергии и указывает возможную критическую точку (где переключатель типа перехода принимает место) прямо вокруг недостающей энергии.
«Этот пробел в энергиях, которые мы уже отсканировали, как раз там, где данные, которые мы собрали до сих пор, указывают на то, что несколько ключевых признаков фазового перехода и возможная критическая точка могут наиболее сильно изменяться, и в которых может проявляться интересное поведение. прячется ", — сказал Данлоп из STAR.
Разрабатываются планы на будущее по добавлению внешней системы электронного охлаждения к комплексу RHIC, что приведет к увеличению количества событий, достижимых при низкой энергии, еще на порядок, что приведет к еще более значительному прогрессу на нижнем конце сканирования энергии луча.
В рамках плана этого будущего обновления, запуск этого года будет включать в себя тестирование новой магнитной конфигурации, разработанной Кристофом Монтагом из Брукхейвена, координатором низкоэнергетического запуска.
Тестирование электронных линз
Заезд 14 также даст возможность физикам-ускорителям RHIC протестировать еще одну новую часть недавно завершенного оборудования, разработанного для увеличения светимости в будущих протон-протонных столкновениях на RHIC. Устройства, называемые электронными линзами, используют силу притяжения отрицательно заряженных электронов для положительно заряженных протонов, чтобы компенсировать тенденцию протонов в одном циркулирующем пучке отталкивать протоны в другом.
«Между двумя протонными пучками существует сила отталкивания, но она не является линейной», — сказал Фишер. "Это зависит от того, находится ли протон в середине луча или на краю. Эта нелинейная сила является основным источником потерь протонов при столкновениях. Мы хотим исправить это с помощью электронных линз."
В этом контексте линза представляет собой пучок электронов низкой энергии, который сталкивается с пучком протонов. Электронный пучок имеет ток и поперечный профиль, которые создают для протона, проходящего через него, ту же силу, что и протон, проходя через другой протонный пучок, но с противоположным знаком. Таким образом, отрицательно заряженный пучок противодействует силе отталкивания протонов.
«Электронные линзы полностью установлены, и мы можем провести почти все испытания с золотыми лучами в тесте 14», — сказал Фишер. "Таким образом, они будут готовы к работе, когда мы запустим протоны в следующем году."
Технология скачка
«Новые технологии, внедренные в ускорителе и детекторах на RHIC для Run 14, являются действительно современными и во многих отношениях превосходят возможности Большого адронного коллайдера в Европе (LHC)», — сказал Мюллер. Многие из этих достижений найдут применение в будущих обновлениях на LHC и других местах.
Кроме того, сказал Фишер, «хотя LHC имеет более высокую энергию, мы всегда будем иметь большую яркость и большую универсальность.
А поскольку RHIC — это машина, предназначенная для изучения физики тяжелых ионов, у нас с каждым годом появляется больше времени, чтобы заниматься этой наукой."
В этом году пробег обещает продемонстрировать эти возможности — и неизменное лидерство RHIC в этой области.