För forskare som spårar omvandlingen av protoner och neutroner-komponenterna i atomkärnor som utgör allt vi ser i universum idag-till en soppa av grundläggande byggstenar kända kvark-gluonplasma, mer är bättre. Fler partikelspår, det är. Tack vare en nyinstallerad uppgradering av STAR -detektorn vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), kärnfysiker har nu fler partikelspår än någonsin för att få inblick i den avgörande materia-byggande övergången som drev denna process i motsats för nästan 14 miljarder år sedan.

RHIC - ett amerikanskt Department of Energy Office of Science User Facility för kärnfysisk forskning vid Brookhaven National Laboratory - kolliderar strålar av tunga partiklar som kärnorna i guldatomer för att återskapa de extrema förhållandena i det tidiga universum, inklusive temperaturer över 250, 000 gånger varmare än solens mittpunkt. Kollisionerna smälter atomernas protoner och neutroner, för tillfället frigör sina inre byggstenar - kvarker och gluoner - som senast existerade som fria partiklar en miljonedel av en sekund efter Big Bang. STAR-detektorn fångar spår av partiklar som kommer från kollisionerna så att kärnfysiker kan lära sig om kvarkerna och gluonerna-och kraften som binder dem till mer välkända partiklar när den heta kvark-gluonplasma kyls.

STAR -detektoruppgraderingen av "inner Time Projection Chamber, "eller iTPC, slutfördes lagom till årets kollisioner vid RHIC. Det ökar detektorns förmåga att fånga partiklar som dyker upp nära strållinjen i riktningarna "framåt" och "bakåt", samt partiklar med låg fart.

"Med uppgraderingen av det inre TPC, vi kan dramatiskt öka detektortäckningen och det totala antalet partiklar vi kan mäta vid en given händelse, "sa Grazyna Odyniec, gruppledare för Lawrence Berkeley National Laboratory's Relativistic Nuclear Collisions -grupp, som var ansvarig för konstruktionen av original STAR TPC och de mekaniska komponenterna i de nya sektorerna.

Krympande elektronik, fler ögonblicksbilder

En viktig del av uppgraderingen var att införliva avancerad avläsningselektronik, som har kommit långt sedan STAR:s ursprungliga TPC monterades på Berkeley Lab i slutet av 1990 -talet.

"Eftersom elektroniken för avläsning har blivit mycket mindre, vi passar nu in många fler sensorer i de inre sektorerna, "sa Brookhaven Lab -fysikern Flemming Videbaek, projektledare för uppgraderingen. Elektroniken har också blivit mycket snabbare. Det betyder att detektorn kan ta "ögonblicksbilder" oftare för att fånga mer information om enskilda partiklar. Mer frekvent provtagning ger också STAR tillgång till partiklar som tidigare tappades i mätningarna med detektorn.

"Vi kan nu rekonstruera spår som helt enkelt var för korta för detektorn att se, "sa Daniel Cebra, en fysiker från University of California, Davis, och en ledare för iTPC -insatsen. "Dessa kortare spår kommer från partiklar som antingen sändes ut i en låg vinkel - det vill säga nära strållinjen i riktningen mot de kolliderande jonerna - eller har en låg fart och är därmed hopkrullade när de rör sig genom detektorns magnetfält."

Att fånga dessa partiklar med låg vinkel och låg fart kommer att ge STAR-forskare mycket mer data att arbeta med när de söker efter tecken på kvark-gluonplasmafasövergången-huvudmålet med RHIC:s Beam Energy Scan II.

Samarbete

Att bygga komponenter för detektorförbättringen och få dem monterade i tid för lågenergikollisionerna som startade i februari var ett samarbete-och en global.

Ett team från Instituto de Física da Universidade de São Paulo i Brasilien designade huvudchipsen för den nya signalavläsningselektroniken, som införlivades i slutmonteringen av Brookhaven Lab STAR -elektronikgruppen. Forskare vid Berkeley Lab under ledning av Jim Thomas och Howard Wieman förberedde de mekaniska delarna av de nya sektorerna, inklusive "trimning" av aluminiumramarnas inriktning för att matcha konstruktionsspecifikationerna inom 50 mikron i alla dimensioner. Och mycket av Berkeley -teamets visdom och metoder var avgörande för att styra montering av sektorns trådkomponenter av STAR -samarbetspartners i Kina.

Var och en av iTPC:s 24 partikelspårningssektorer innehåller 1500 tunna trådar i tre lager som förstärker signaler, etablera ett partikelstyrande elektriskt fält, och kontrollera vilka spår som spelas in på STAR. Dessa trådar behövde monteras med extrem precision för att hålla det relativa avståndet mellan lagren detsamma - inom 10 mikron, eller miljondelar av en meter.

"Vi fick erfarenhet genom att bygga en liten prototyp redan innan designen slutfördes, och sedan när det var, vi byggde en fullstor version, "sade Qinghua Xu, en fysiker vid Shandong University, som ledde den kinesiska insatsen. När de avslutade den första hela prototypen 2017, de skickade den till Brookhaven för en testkörning.

"För körningen 2018, vi ersatte en av de gamla sektorerna med den nya prototypen, och bekräftade att det fungerade som förväntat, "Videbaek sa." Det gav oss förtroende för att vi var redo att bygga och installera de 23 andra sektorerna. "

Tävla mot tiden

Teamet på Brookhaven började installera sektorer i oktober 2018.

"Det var lite av ett lopp med tiden, "Sa Videbaek." Vi installerade den sista elektroniken strax före jul och sedan, i januari, fyllde TPC med sin argon/metangasblandning och började ta kosmiska data, " han sa.

Forskarna använder kosmiska strålar (laddade partiklar från yttre rymden) - som kommer genom taket med en hastighet av cirka 150 per sekund - för att kalibrera detektorn och se till att allt fungerar.

När de första lågenergikollisionerna kom i februari, STAR -teamet var redo med en fullt fungerande, nyeffektiv detektor.

"Vi är tacksamma till alla i teamet som hjälpte till att göra denna uppgradering till en framgång, "Sa Videbaek.