Обновление сборки sPHENIX: обозначение магнита, детект.

Физики, инженеры и техники из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США завершают год крупными разработками детектора частиц размером с дом, который весной следующего года впервые начнет делать снимки столкновения.

Современный трехэтажный 1000-тонный детектор, известный как Феникс— он будет точно отслеживать частицы, вылетающие из столкновений в воздухе Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США для исследований в области ядерной физики. Это продолжающаяся трансформация эксперимента PHENIX, в котором собирались данные в RHIC с 2000 по 2016 год. Обновленный современный sPHENIX позволит ученым лучше понять свойства кварк-глюонной (КГП) плазмы — супа субатомных частиц, которые являются внутренним строительные блоки протонов и нейтронов. Ученые хотят измерить эти частицы, чтобы узнать больше о том, как эти строительные блоки взаимодействуют, образуя видимую материю, из которой состоит наш мир.

После недавнего завершения работы над компонентами отслеживания частиц ядра и проекта по картированию магнитного поля сверхпроводящего электромагнита в ядре детектора бригады sPHENIX готовятся к окончательной установке.

сказал физик-ядерщик Брукхейвенской лаборатории и представитель sPHENIX Дэвид Моррисон.

Команда ЦЕРН составляет карту магнитного поля

Центральным компонентом sPHENIX является 20-тонный цилиндрический фюзеляж. сверхпроводящий Соленоидный магнит. Когда-то он был центральным элементом эксперимента под названием BaBar в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии. Экипажи везли его через всю страну в 2015Я тестировал его в низком поле 2016 и высокое поле в 2018 году, и тщательно установлен на sPHENIX в прошлом году.

Магнит создает точное однородное магнитное поле — 1,4 Тесла, что примерно соответствует силе магнита, используемого в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Сильное поле будет искривлять пути заряженных частиц, которые находятся среди «мусора», образующегося при столкновении ядер в RHIC.

Остальные детекторы, которые вскоре будут размещены внутри магнитного цилиндра, будут очень точно измерять положение частиц, вылетающих из этих ядерных столкновений, из которых можно получить другие свойства. Ученые стремятся «соединить точки» этих измерений, чтобы различить крошечные различия между тремя типами «родительских» частиц, называемых эпсилонами. Данные ипсилона — лишь одно из многих исследований sPHENIX в RHIC, которые прольют свет на то, как QGP превращается из горячего супа в Кварки и глюоны важно, как мы это знаем.

Но прежде чем можно было установить окончательные компоненты слежения, команда sPHENIX решила составить карту магнитного поля соленоида.

«Как только вы заполните середину магнита, вы не сможете поместить внутрь картографическую машину», — сказал физик из Брукхейвена Кин Йип.

В ноябре в Брукхейвен прибыла команда из CERN, европейской лаборатории физики элементарных частиц, чтобы решить задачу повышения точности.

«Группа детекторных технологий CERN является мировым экспертом в области магнитного картографирования, — сказал Йип.

Команда ЦЕРН использовала ту же картографическую машину, которую они использовали ранее для картографирования магнитов, составляющих основу эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН.

Картографическая машина, доставленная из Женевы, Швейцария, помещала тонкие стержни в цилиндр магнитов, поскольку они еще не были установлены. Холодильный набор от Brookhaven’s. Ускорительный отдел коллайдера Используйте жидкий гелий для охлаждения соленоида сверхпроводящий до 4,6 градуса Кельвина (-451,4 градуса по Фаренгейту) — температура, необходимая для создания магнитного поля. Два рычага, приводимые в движение пневматическими двигателями, вращаются, как пропеллеры, для измерения магнитного поля, когда бригады толкают машину по точкам от одного конца цилиндрического магнита к другому. (Технические специалисты установили окончательные детали EMCal вскоре после завершения проекта картирования.)

«Мы благодарим Brookhaven Lab и особенно сотрудников sPHENIX за то, что они поручили нам составить карту соленоида sPHENIX», — сказал Никола Пасифико из картографической группы ЦЕРН, в которую входят Франсуа Гарнье, Рафаэль Домбес и Бриттендра Баумек. Работайте самостоятельно, показывая свои собственные проблемы. Мы получили поддержку высококвалифицированной команды на месте, что позволило нам своевременно завершить картографирование. Мы желаем sPHENIX и ее команде полного успеха с их физической программой и до следующего картографирования в Брукхейвенской лаборатории! «

Ученые sPHENIX использовали рассчитанную карту магнитного поля соленоида для моделирования столкновения RHIC. Новые показатели разрешения повысят точность декодирования данных сложного эксперимента после его включения.

«Вообще говоря, в экспериментальной физике больше информации лучше, чем меньше информации», — сказал Джон Хаггерти, физик из Брукхейвена, руководивший процессом получения данных с помощью магнитов на заре sPHENIX. «Мы можем рассчитать только то, что, по нашему мнению, мы построили, а не то, что мы могли построить непреднамеренно. Теперь у нас есть наилучшая возможная карта».

Главный поддетектор прибывает в Брукхейвен.

Огромный магнит — не единственный важный компонент детектора, который проделал путь через всю страну к sPHENIX. Части пиксельного детектора вершин, известного как MVTX, были построены в ЦЕРНе, затем отправлены в Национальную лабораторию Лоуренса Беркли (LBNL) Министерства энергетики Калифорнии для экспертной сборки, после чего в октябре благополучно прибыли в Брукхейвен. Детектор был отправлен пополам в путешествие по пересеченной местности протяженностью 3000 миль. Экипажи использовали грузовик со специальной системой подвески и позаботились о безопасности трассы и погодных условиях.

MVTX является одним из трех компонентов, которые будут работать вместе для измерения положения и определения импульса всех заряженных частиц, возникающих в результате столкновений RHIC. (Два других — промежуточный трекер кремниевых секторов (INTT, см. ниже) и камера временной проекции (TPC), строящиеся в Университете Стоуни-Брук.

MVTX, который будет располагаться внутри центрального сердечника магнита sPHENIX, дает очень точный ответ на вопрос: возникла ли частица точно в результате столкновения или даже на долю толщины волоса? Оказывается, различия на таких малых расстояниях могут иметь большое значение.

«Тысячи частиц возникают в результате наших столкновений», — объяснил Моррисон. «Некоторые из этих частиц распадаются, почти мгновенно превращаясь в другие типы частиц, что делает их размером около 50 микрон, что примерно равно толщине пряди волос. MVTX очень точно сообщает нам, откуда взялись частицы, с точностью около пяти микрон. поэтому мы знаем, возникла ли частица в результате самого столкновения или в результате такого распада».

Та часть MVTX, которая фактически выполняет измерения, компактна: ее длина составляет около фута, диаметр — 3,5 дюйма, а вес — около 3 унций. Вместе MVTX состоит из трех перекрывающихся слоев кремниевых датчиков, которые выстилают две половины трубки из углеродного волокна. На одном конце трубка расширяется, как колокольчик, чтобы вместить множество кабелей и волокон, которые питают детектор и считывают его.

«В этом комбинированном пакете 300 миллионов каналов, элементы, которые могут сказать: «Я что-то видел», — сказал Эдвард О’Брайен, руководитель проекта sPHENIX. Точность стекирования в более чем в 20 раз меньшем пространстве».

Прежде чем установить пиксельный детектор в начале следующего года, инженеры и техники sPHENIX потренируются размещать макет этого деликатного компонента вокруг лучевой трубки эксперимента. У них будет лишь небольшой зазор — около миллиметра — для перемещения устройства в его окончательное положение после установки других компонентов детектора. «Это все равно, что играть в «операцию» наоборот, — сказал Моррисон. — Когда придет время поставить последнюю деталь на место, — говорит он, — команда sPHENIX будет готова».

Сверхбыстрое отслеживание перекрывающихся событий

Тем временем команда работает над другими компонентами отслеживания частиц.

Время отклика 60 нс —60 миллиардных секундыINTT будет играть ключевую роль в непрерывной записи 15 000 столкновений частиц в секунду, что в три раза быстрее, чем у предыдущего детектора PHENIX.

INTT проводит измерения в космосе, чего не делают MVTX и TPC, что позволяет физикам реконструировать всю траекторию частицы. Его сверхбыстрое время отклика позволяет ему различать пути, возникающие в результате перекрывающихся событий при накоплении коллизий.

Поддетектор был завершен в середине сентября благодаря международному сотрудничеству, в котором участвовали техники, инженеры, постдоки и ученые из Японии, Тайваня и США. Исследовательский центр RIKEN BNL (RBRC) с дополнительным вкладом США и других стран.

INTT состоит из четырех слоев перекрывающихся кремниевых пластин, которые составляют полупроводниковый детектор частиц, основанный на обнаружении ионизирующего излучения. Слои расположены в двух половинах 10-футового цилиндра. Собрать вместе две половинки детектора для тестирования и последующей установки было сложной задачей, так как было много движущихся частей.

«Это похоже на пилотирование Боинга-747», — сказал Рашид Нуиссир, физик-ядерщик из Брукхейвенской лаборатории, старший приглашенный научный сотрудник RBRC, доцент Университета Стоуни-Брук и содиректор по сборке детектора INTT.

Чтобы обеспечить «безопасную посадку», сборочная команда INTT использовала машину с двумя «клешнями», которые захватывают каждую половину и сжимают их вместе, в то время как техники затягивают винты и ручки вокруг устройства. Они должны были быть осторожны, чтобы предотвратить любые трещины в кремниевых пластинах. Им также нужно было убедиться, что между перекрывающимися слоями кремния не было зазоров, чтобы детектор мог принимать все сигналы частиц, когда он включен.

«Физика всегда стремится к точности, и технологии детекторов должны идти в ногу с этим — мы хотим, чтобы детекторы были быстрее и точнее», — сказал Нойссер. «Это большое достижение — увидеть, что все каналы детектора INTT работают. Теперь мы хотим заняться с ним физикой».

По мере продвижения работы над TPC, детектором газовых следов, в Стоуни-Брук время физики быстро приближается. Следите за обновлениями этого компонента детектора.

«Мы находимся в самом конце сборки детектора. Мы покончили с ошибками», — сказал О’Брайен. Следующая задача — завершить установку в ближайшие несколько месяцев».

«Как видите, сборка и сборка этих сложных компонентов детектора — это крупная международная работа», — сказал Гантер Роланд, представитель Sphenix, физик Массачусетского технологического института. «Эта работа объединяет многих великих физиков со всего мира — 80 университетов и лабораторий из 14 стран и почти 400 сотрудников — чтобы воплотить концепцию этого детектора и науку, которая сделает его реальностью».

Модернизация и операции RHIC финансируются Управлением науки Министерства энергетики (NP).

Брукхейвенская национальная лаборатория поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Управление науки является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, посетите веб-сайт science.energy.gov.

Следите за BrookhavenLab в Твиттере Твиттер или найти нас на Фейсбук.