Strax före starten av årets körning vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – en användaranläggning för kärnfysikforskning vid DOE:s Brookhaven National Laboratory – ett team av vetenskapsmän från US Department of Energy Office of Science, ingenjörer, tekniker, och eleverna slutförde installationen av viktiga nya komponenter i kolliderens STAR-detektor. Denna partikelspårare i husstorlek (den solenoidala spåraren vid RHIC) fångar de subatomära skräp som skapas när atomkärnor kolliderar så att forskare kan lära sig om materiens byggstenar. De nya komponenterna kommer att utöka STAR:s förmåga att spåra partikeldrag som dyker upp i en extrem "framåt" riktning, vilket betyder nära strållinjen genom vilken partiklarna färdas när de kolliderar.

Detektering av strålar framåt kommer att vara viktigt för att lära sig hur de inre komponenterna i protoner och neutroner – kvarkar och gluoner – bidrar till de övergripande egenskaperna hos dessa materiens byggstenar.

"Jets är utmärkta surrogat för kvarkar och gluoner, " sa Brookhaven Lab-fysiker Elke-Caroline Aschenauer, som leder STAR framåt uppgraderingen. "Om du mäter energin hos alla partiklar som utgör en jetstråle, då vet du i princip allt om kvarken eller gluonen som producerade den strålen under kollisionen – dess energi, riktning, och snurra." Mätning av många jetstrålar gör det möjligt för forskare att kartlägga protonens 3D-struktur, inklusive arrangemanget och spinn av kvarkar och gluoner inuti.

Den nya utrustningen kommer inte att användas för fysikmätningar förrän nästa års körning av RHIC -experiment med hög energi. Men att ha huvudkomponenterna – två typer av kalorimetrar – installerade för årets lågenergikörning ger fysiker en chans att kalibrera utrustningen och räkna ut eventuella veck.

"Vi kan använda den här tiden för att få igång alla datainsamlingssystem, testa utläsningskanalerna, och ta i bruk vår trigger-inställning"—systemet som bestämmer, på en bråkdel av en sekund, vilka kollisioner som ska spelas in och vilka som ska kastas, sa Aschenauer.

Separerade av rum och tid

Att hålla deadline för starten av årets RHIC-körning mitt i en global pandemi var ingen liten uppgift.

"Vi ville ha massor av akademiska "användare" av STAR-experimentet och deras elever åker till Brookhaven för att montera och installera komponenterna, men med covid, det blev väldigt komplicerat, sa Oleg Tsai, en STAR -användare från UCLA och det kreativa sinnet bakom framdetektordesignen.

Istället, projektet gick framåt som ett samarbete åtskilt av rum och tid.

"STAR-användare vid universitet över hela landet arbetade med att bygga och testa komponenter med studenter - inklusive några som bodde för långt hemifrån för att resa under lockdown, " sa Tsai.

För att upprätthålla social distans, "vi delar naturligtvis upp oss i morgon- och eftermiddagsgrupper, sa David Kapukchyan, en doktorand som hjälpte till att montera komponenter vid University of California, Riverside. "Vi var tvungna att lämna anteckningar till varandra så att varje grupp visste vad de skulle göra under sin tid i labbet."

"Denna erfarenhet har gett mig stor inblick i hur detektorer av den här storleken går ihop och hur mycket arbete som krävs för att bygga dem, " han lade till.

Det uppfyllde ett nyckelmål för Scott Wissink, en STAR-användare och fysikprofessor vid Indiana University, som samordnade förslaget att finansiera detta arbete genom National Science Foundations Major Research Instrumentation (MRI) program, som specifikt innefattade stöd för studentmedverkan vid de tio universitet som utgjorde projektkonsortiet.

"Förutom att köpa material och utrustning, vi begärde också medel för att stödja den tekniska arbetskraft som krävs vid de enskilda universiteten, och särskilt för att ge eleverna möjligheter att bli involverade i testning och montering av komponenterna, ", sade han. "Denna erfarenhet kommer inte bara att säkerställa att vi har rätt utrustning för att utföra mätningarna, men kommer också att förbereda dem för att leda nästa generation av fysikexperiment."

Assisterad montering

"Delarna producerades och levererades från överallt i världen—Indiana, Pennsylvania, Kalifornien, Illinois, Texas – till och med Kina och Japan. När vi inte kunde få toalettpapper fick vi scintillatorer, " Aschenauer noterade, beskriver speciell plast som upptäcker ljuspartiklar. Sedan måste alla bitar – tiotusentals komponenter – monteras och installeras på ett Lego-liknande sätt, lager på lager, Hon sa.

Några elever kunde till slut hjälpa till.

"Jag hade planer på att komma till Brookhaven för mina doktorandstudier innan covid-pandemin slog till, sa Erik Loyd, ytterligare en student vid UC Riverside. "Även om min resa till en början var försenad, Det slutade med att jag flyttade till New York och satt i karantän i en månad innan jag kom till labbet för att hjälpa till med installationen."

Men med mycket färre elever tillgängliga än under normala tider, projektledarna vände sig till tekniker i Brookhavens Beam &Experimental Services (B&ES)-grupp och Collider-Accelerator Support-gruppen (CAS) för ytterligare hjälp.

Brendan Hoy, medlem i CAS, noterade att hans grupps uppgifter dygnet runt vanligtvis består av att reagera på problem med utrustning i realtid – felsöka och utföra korrigerande underhåll på saker som strömförsörjning och magneter – såväl som att bygga, installerar, och underhålla olika elektroniska system runt komplexet. "Arbetet vi gör med att underhålla STAR-strömförsörjning och den elektronikcentrerade karaktären av mina regelbundet tilldelade uppgifter som kartlagts på den här detektorn installerar mycket bra, ", sa han. "Med tanke på de unikt svåra omständigheter som 2020 förde oss alla med, Jag tyckte att möjligheten att arbeta med ett projekt utanför den normala omfattningen av min roll var en välkommen sådan."

"The Collider-Accelerator Department (CAD) tekniker, arbetar med STAR Technical Support Group, gjorde ett bra jobb med att installera kalorimetrarna och deras stödstrukturer, "sa Rahul Sharma, STARs chefsingenjör. "Arbetet gick dubbelt så snabbt som ursprungligen förväntat, med grupper som arbetar i växlande skift på morgonen och eftermiddagen för att stapla flera lager av detektorblocken. Det var en riktig utmaning att försöka koordinera allt detta i över tre månader för att slutföra installationen."

"Vi var tvungna att övervinna många utmaningar samtidigt som vi byggde dessa detektorer på en så snäv plats och tidsram, sa Travis Herbst, en tekniker i B&ES. "På grund av det begränsade utrymmet, vi var tvungna att installera ett tillfälligt transportband som tillät oss att överföra nästan 10, 000 stålabsorbentblock som väger 15 ton och 20, 000 stift använde för att hålla ihop dem under strållinjen så att vi kunde bygga detektorerna på båda sidor."

Adrian Timon, en annan B&ES-tekniker, tillade:"Vi var också tvungna att hålla socialt avstånd under alla arbetstimmar som behövdes för att installera detektorn samtidigt som vi inspekterade och höll alla block och stift rena från skräp eller deformering, eftersom sådana defekter kan orsaka problem med detektorns interna struktur."

"Det mest fantastiska för mig var alla dessa mindre detaljer som man inte läser om i en lärobok när de beskriver dessa kalorimetrar, "sade UC Riversides Kapukchyan, som också reste till Long Island för sammankomsten. "Du läser om fysiken om hur partiklar förlorar energi och hur man beräknar det, men alla dessa mindre konstruktionsdetaljer, som hur man korrekt lossar kablar, är utelämnade. Att vara involverad [genom alla stadier av detta projekt] var en fantastisk upplevelse för mig och kommer säkerligen att hjälpa mig i mina framtida ansträngningar, " han sa.

Driv vetenskapen framåt

De nu kompletta legoliknande kalorimeteraggregaten kommer att sammanfogas, efter årets löpning, av några ytterligare komponenter – två typer av spårningsdetektorer för att urskilja partiklar med olika elektriska laddningar. Hela systemet kommer då att vara redo att samla in fysikdata i 2022 RHIC-körningen.

Placerad i ena änden av STAR-detektorns tunnformade Time Projection Chamber, kalorimetrarna och spårarna kommer att fånga jetstrålar som dyker upp i vinklar mycket nära RHIC:s strållinje, ut i den änden av pipan. Att studera just dessa jetstrålar är viktigt eftersom de ger forskare tillgång till kvarkar och gluoner som bär antingen en mycket hög eller mycket låg andel av protonens (eller kärnans) totala rörelsemängd.

Strålar som produceras genom att sprida bort de tre huvudsakliga valenskvarkarna som utgör en proton bär en stor andel av partikelns totala rörelsemängd. Men en proton är mycket mer komplex än de tre huvudkvarkerna. Inuti finns det ett myllrande mikrokosmos av kvark- och antikvartpar som flimrar in och ut ur tillvaron. Gluoner – det passande namnet eftersom de limmar ihop kvarkarna – är ännu mer mystiska. De delar sig och förökar sig och, vid höga energier, kan helt dominera protonens struktur. Var och en av dessa gluoner bär på en liten procentandel av protonens totala rörelsemängd. Men eftersom det finns så många av dem, forskare tror att deras kombinerade inflytande spelar en stor roll för att fastställa protonens egenskaper. Därav motivationen att studera jetstrålar som genereras av dessa gluoner med "lågt momentum-fraktion".

"Dessa mätningar kommer att hjälpa oss att söka efter bevis för att guldjonerna vi kolliderar vid RHIC blir täta väggar av gluoner, och att detta mättade tillstånd av gluoner är ansvarigt för nyckelegenskaper som protonspinn och massa, som antyds av många av de fynd vi redan har observerat på RHIC, " sa Aschenauer.

Mätningarna hjälper också till att lägga grunden för jet-tracking vid den framtida Electron-Ion Collider (EIC). EIC är en ny toppmodern DOE kärnfysikanläggning som ska byggas vid Brookhaven Lab i samarbete med Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) för att utöka forskarnas räckvidd till kärnfysikens gränser.

"Den hadroniska kalorimeterdesignen vi talar om för EIC har komponenter som är i princip identiska med den som är en del av denna uppgradering, så att en del av detta projekt fungerar som en prototyp för framtida EIC-detektorkomponenter, " sa Aschenauer.