De första smashups av två nya typer av partiklar vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – ett US Department of Energy (DOE) Office of Science användaranläggning för kärnfysikforskning vid Brookhaven National Laboratory – kommer att erbjuda ny insikt om effekterna av magnetism på materiens eldklot som skapades i dessa kollisioner. Att uppnå detta huvudmål för den 15-veckors långa löpningen av RHIC:s 18:e år kommer att dra på mer än ett decennium av samlad expertis, förbättringar av kolliderar- och detektorkomponenter, och ett samarbete med partners över hela DOE-komplexet och runt om i världen.

Fysiker kommer också att utföra två olika typer av kollisioner med guldjoner vid låga energier, inklusive kollisioner av guldjoner med ett stationärt mål. Dessa kollisioner kommer att hjälpa forskare att bättre förstå den exotiska materia som skapas i RHIC:s högsta energikollisioner, inklusive styrkan på dess magnetfält och hur det utvecklas från en het soppa av materias grundläggande byggstenar (kvarkar och gluoner) till de vanliga protoner och neutroner som utgör huvuddelen av synlig materia i universum idag.

Som en bonus – eller snarare, ett bevis på effektiviteten hos RHIC-acceleratorpersonalen – collider-accelerator-teamet kommer också att implementera och finjustera flera teknologier som är viktiga för framtida kärnfysikforskning.

"På något sätt är den här körningen kulmen på två decennier av anläggningsutveckling, sa Wolfram Fischer, Biträdande ordförande för acceleratorer i Brookhaven Labs Collider-Accelerator (C-AD) avdelning. "Vi kommer att använda oss av många verktyg vi har utvecklat under många år, som vi nu behöver alla samtidigt. All denna expertis inom C-AD och stöd från DOE och andra labb gick samman för att göra detta möjligt."

Helen Caines, en fysiker vid Yale University som fungerar som medtalesman för RHIC:s STAR-experiment, höll med och uttryckte sin uppskattning för RHIC:s unika mångsidighet och förmåga att packa in så mycket på så kort tid. "Det kommer att bli 15 hektiska veckor!" Hon sa.

Studerar magnetiska effekter

RHIC kolliderar joner (t.ex. kärnorna i tunga atomer som guld som har tagits bort från sina elektroner) för att "smälta" sina protoner och neutroner och frigöra dessa partiklars inre byggstenar, kända som kvarkar och gluoner. Att skapa denna "kvark-gluonplasma" efterliknar förhållandena i det mycket tidiga universum och ger forskare ett sätt att utforska kraften som styr hur dessa fundamentala partiklar interagerar. Kärnfysikerna genomför dessa studier genom att spåra partiklarna som kommer ut från kollisionerna.

Ett spännande fynd från en tidigare körning vid RHIC var en observation av skillnader i hur negativt och positivt laddade partiklar strömmar ut från eldklotet som skapas när två guldjoner kolliderar. Forskare misstänker att denna laddningsseparation utlöses delvis av något som kallas den "kirala magnetiska effekten" - en växelverkan mellan det kraftfulla magnetfält som genereras när de positivt laddade jonerna kolliderar något utanför mitten (som producerar en virvlande massa av laddad materia) och varje enskild partikels "kiralitet." Kiralitet är en partikels höger- eller vänsterhänta, vilket beror på om den snurrar medurs eller moturs i förhållande till sin rörelseriktning. Enligt denna förståelse, laddningsseparationen bör bli starkare när styrkan på magnetfältet ökar – vilket är precis vad STAR-forskare testar i körning 18.

"Istället för guld, vi använder kollisioner med två olika "isobarer" - isotoper av atomer som har samma massa men olika antal protoner, och därför olika nivåer av positiv laddning, " sa Caines. Kollisioner av två ruteniumjoner (massa nummer 96 med 44 protoner) kommer att skapa ett magnetfält som är 10 procent starkare än kollisioner av två zirkoniumjoner (massa nummer 96 med bara 40 protoner), Hon sa.

"Vi behåller allt annat detsamma - storleken på kärnan, energin, och det totala antalet partiklar som deltar i kollisionen. Vi kommer till och med att byta från en jonart till en annan på nästan en dag för dag för att eliminera alla variationer som de två typerna av kollisioner med veckors mellanrum kan orsaka. Eftersom det enda vi varierar är magnetfältet, detta borde vara ett definitivt test av den kirala magnetiska effekten."

Ett positivt resultat skulle bevisa att kollisionerna skapar ett mycket starkt magnetfält - "det starkaste som någonsin observerats, ", sa Caines. "Det skulle också vara ett definitivt bevis på att kollisionerna skapar ett medium som består av fria kvarkar och gluoner, en kvarg-gluon plasma, med en obalans av vänster- och högerhänta partiklar som drivs av kvantfluktuationer."

Erhålla och förbereda isotoper

Även om mängden materia som behövs för att kollidera enskilda joner är extremt liten (RHIC kommer att använda mycket mindre än ett gram guld under alla år av drift!), att få fram vissa sällsynta isotoper kan vara utmanande. Zirkonium-96 (formen som behövs för dessa experiment) utgör mindre än tre procent av den naturligt förekommande tillgången av detta element, medan rutenium-96 utgör mindre än sex procent.

"Om du bara använde naturligt material för jonkällorna som matar RHIC, strålens intensitet skulle vara alldeles för låg för att samla in den data som behövs, ", sa Fischer. "Du kan köpa berikade prover av zirkonium men det finns ingen kommersiell källa för anrikat rutenium."

Lyckligtvis, det finns en ny anläggning för sådan isotopberikning vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory (ORNL), den berikade stabila isotopprototypanläggningen (ESIPP), som värmde upp naturmaterialet och elektromagnetiskt separerade de olika massorna. ESIPP är en del av DOE Isotope Program och startade sin verksamhet under FY 2018, återupprätta en allmän inhemsk förmåga att berika stabila isotoper.

"Med hjälp av DOE Isotope Program i Office of Science, ORNL placerade oss högst upp på sin prioriteringslista för att tillhandahålla ett halvt gram av detta material - en liten flaska med lite "damm" i botten - i tid för körningen, sa Fischer.

Ruteniumjonerna börjar sin accelerationsbana i Brookhavens Tandem Van De Graaff-accelerator. För att inte slösa bort någon av den dyrbara jonförsörjningen, Tandem-teamet, ledd av Peter Thieberger, körde först tester med högre förekomster av rutenium, se till att de har den strålintensitet som behövs. För de faktiska experimenten, de späder ruteniumprovet med aluminium för att sprida ut tillgången. När den väl accelererats, jonerna samlas och dessa grupperar kombineras till mer och mer tätt packade klasar när de cirkulerar genom Booster-ringen och Alternating Gradient Synchrotron (AGS), får energi vid varje steg innan det injiceras i RHIC:s två motcirkulerande 2,4 mils omkretsringar för kollisioner vid 200 miljarder elektronvolt (GeV).

För att få zirkoniumjonerna för kollisioner omväxlande dagarna, Brookhaven-teamet, ledd av Masahiro Okamura, sökte hjälp från Hiromitsu Haba och kollegor vid Japans RIKEN-laboratorium som hade erfarenhet av zirkoniummål. "De delade generöst med allt de vet om att omvandla zirkonium till oxidmål som vi kunde använda för att extrahera jonerna, sa Fischer.

Forskare zap dessa zirkoniumoxidmål med en laser vid Brookhavens laserjonkälla för att skapa ett plasma som innehåller positivt laddade zirkoniumjoner. Dessa joner kommer sedan in i elektronstrålejonkällan (EBIS) för att omvandlas till en stråle. Från EBIS, zirkoniumstrålen följer en väg som liknar ruteniums, med jonerna som smälter samman till tätare och tätare buntar och får energi i Booster och AGS innan de injiceras i RHIC. Ännu ett team—Brookhavens egna kemister från Medical Isotope Research and Production Program, leds av Cathy Cutler – återvinner överblivet målmaterial och bearbetar det för att göra nya mål så att inget värdefullt isotopmaterial lämnas oanvänt.

Att låta de två typerna av joner komma in i RHIC från olika källor gör det lättare att byta från rutenium till zirkonium dag för dag. "Detta är två något exotiska arter av joner, så vi ville ha två oberoende källor som kan optimeras och köras oberoende, " Sa Fischer. "Om du får båda utan en källa, det är svårare att få ut det bästa resultatet av dem båda."

När endera uppsättningen joner kommer in i kollideren, ytterligare förbättringar som gjorts på RHIC genom åren hjälper till att maximera antalet dataproducerande kollisioner. Det viktigaste, en teknik som kallas "stokastisk kylning, " implementerade under denna körning av Kevin Mernick, upptäcker när partiklar i strålarna sprids ut (värms upp), och skickar korrigerande signaler till enheter före de snabba jonerna för att knuffa tillbaka dem i täta förpackningar.

"Utan stokastisk kylning skulle det vara mycket svårt för att inte säga omöjligt att nå de experimentella målen eftersom vi skulle förlora många joner, " Sa Fischer. "Och vi kunde inte göra det här utan alla de olika delarna i DOE och Brookhaven. Vi behövde all vår källkunskap i EBIS och på Tandem, och vi behövde medarbetare från RIKEN, ORNL, och våra kemister i isotopprogrammet i Brookhaven också. Det har varit ett fantastiskt samarbete."

"Att byta från en art till en annan varje dag har aldrig tidigare gjorts i en kolliderare, " sa Fischer. "Greg Marr, RHIC Run Coordinator i år, måste utnyttja alla tillgängliga verktyg för att göra dessa övergångar så snabbt och sömlöst som möjligt."

Mer att lära av guld-guld

Efter isobarkörningen, STAR-fysiker kommer också att studera två typer av guld-guld-kollisioner. Först, i kollisioner av guldstrålar vid 27 GeV, de kommer att leta efter olika effekter på hur partiklar som kallas lambdas och motsatt laddade antilambda-partiklar kommer fram. Spårning av lambdas ledde nyligen till upptäckten att RHIC:s kvarg-gluonplasma är den snabbaste snurrande vätskan som någonsin stött på. Att mäta skillnaden i hur lambdas och deras antipartikelmotsvarigheter beter sig skulle ge STAR-forskare ett exakt sätt att mäta styrkan på magnetfältet som orsakar denna "virvel".

"Detta kommer att hjälpa oss att förbättra våra beräkningar av den kirala magnetiska effekten eftersom vi skulle ha en faktisk mätning av det magnetiska bidraget. Fram till nu, dessa värden har enbart baserats på teoretiska beräkningar, " sa Caines.

I slutfasen av löpningen, acceleratorfysiker kommer att konfigurera RHIC att köras som ett experiment med fasta mål. Istället för att slå ihop två strålar vid frontalkrockar, de kommer att slå en stråle av guldjoner i en guldfolie placerad i STAR-detektorn. Centrum för masskollisionsenergi, 3.2 GeV, kommer att vara lägre än i någon tidigare RHIC-körning. Dessa kollisioner kommer att testa för att se om en signal som forskarna såg vid högre energier – stora fluktuationer i produktionen av protoner – stängs av. Försvinnandet av denna signal skulle kunna tyda på att de fluktuationer som observerades vid högre energier var förknippade med en så kallad "kritisk punkt" i övergången av fria kvarkar och gluoner till vanlig materia. Sökandet efter denna punkt - en speciell uppsättning temperatur- och tryckförhållanden där typen av fasomvandling ändras - har varit ett annat stort forskningsmål vid RHIC.

Dessa kollisioner med lägsta energi kommer också att bilda början på nästa "stråleenergiskanning, "en serie kollisioner över ett brett spektrum av energier som börjar på allvar nästa år, sa Caines. Det arbetet kommer att bygga på resultat från tidigare ansträngningar att kartlägga de olika faserna av kvarg-gluon materia.

Justera detektor- och acceleratorteknologier

Vissa nyligen uppgraderade komponenter i STAR-detektorn kommer att vara väsentliga för dessa och framtida studier av kärnämne vid RHIC, så STAR-fysiker kommer noga att övervaka deras prestanda under denna körning. Dessa inkluderar:

• 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, Tyskland.
• 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, storlek, 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. I detta 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.