تحديث تجميع sPHENIX: تعيين المغناطيس والكشف

يختتم الفيزيائيون والمهندسون والفنيون في مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية العام بتقدم كبير في جهاز كشف الجسيمات على مستوى المنزل والذي سيبدأ في التقاط لقطات الاصطدام لأول مرة في الربيع المقبل.

كاشف حديث من ثلاث طبقات ، 1000 طن – معروف باسم فينيكس– يتتبع بدقة الجسيمات من الاصطدامات تصادم الأيونات الثقيل النسبي (RHIC) ، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم بوزارة الطاقة لأبحاث الفيزياء النووية. إنها استمرار لتجربة PHENIX ، التي أخذت البيانات في RHIC من 2000 إلى 2016. سيساعد sPHENIX المحسن والمتطور العلماء على فهم خصائص بلازما الكوارك-غلوون (QGP) بشكل أفضل. الجسيمات دون الذرية هي لبنات البناء الداخلية للبروتونات والنيوترونات. يريد العلماء قياس هذه الجسيمات لمعرفة المزيد حول كيفية تفاعل تلك اللبنات لإنشاء المادة المرئية التي يتكون منها عالمنا.

مع الانتهاء مؤخرًا من مكونات تتبع الجسيمات الأساسية وخطة لتعيين المجال المغناطيسي لمغناطيس كهربائي فائق التوصيل في مركز الكاشف ، تستعد فرق sPHENIX للتركيب النهائي.

قال ديفيد ، عالم الفيزياء النووية في مختبر Brookhaven Lab و sPHENIX: “هناك رقصة كاملة من عملية معقدة للغاية حول كيفية تماسك هذه القطع المتبقية معًا والتي ستبدأ خلال الأشهر المقبلة وتهيئنا لأخذ البيانات في الربيع”. المتحدث الرسمي. موريسون.

يقوم فريق CERN بتخطيط المجال المغناطيسي

المكون المركزي لـ sPHENIX عبارة عن أسطوانة سعة 20 طنًا فائقة التوصيل المغناطيس الكهرومغناطيسي. كان ذات يوم محور تجربة تسمى BaBar في مختبر المسرع الوطني SLAC في كاليفورنيا. أخذها الطاقم عبر البلاد 2015اختبرته في حقل منخفض 2016 ومستوى عالي 2018 ، وبعناية أنشئت العام الماضي في sPHENIX.

يخلق المغناطيس مجالًا مغناطيسيًا دقيقًا وموحدًا – 1.4 تسلا ، أو بقوة المغناطيس المستخدم في فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). في RHIC ، ينحني المجال القوي مسارات الجسيمات المشحونة في “الخردة” التي تنشأ عندما تصطدم النوى.

ستقيس بقية الكواشف ، المكدسة داخل أسطوانة المغناطيس ، موضع الجسيمات المقذوفة من هذه الاصطدامات النووية بدقة كبيرة ، ويمكنها استنباط خصائص أخرى منها. يحاول العلماء “ربط نقاط” تلك القياسات لإيجاد أصغر الفروق بين الأنواع الثلاثة للجسيمات “الأم” التي تسمى الأبسيلون. تعد بيانات upsilon مجرد واحدة من العديد من الدراسات التي أجريت على sPHENIX في RHIC والتي يمكن أن تكشف عن أدلة حول كيفية تطور QGP من الحساء الساخن. الكواركات والغلونات كما نعرف.

ولكن قبل تثبيت مكون التتبع النهائي هذا ، حاول فريق sPHENIX تعيين المجال المغناطيسي للملف اللولبي.

قال عالم الفيزياء في Brookhaven تشين ييب: “بمجرد أن تملأ مركز المغناطيس ، لا يمكنك وضع آلة رسم الخرائط بالداخل”.

وصل فريق من CERN ، مختبر فيزياء الجسيمات الأوروبي ، إلى Brookhaven في نوفمبر لمعالجة مهمة الدقة.

قال ييب: “فريق CERN’s Detector Technologies هم خبراء عالميون في رسم الخرائط المغناطيسية”.

استخدم فريق CERN نفس آلة رسم الخرائط التي استخدموها سابقًا لرسم خريطة المغناطيس الذي يشكل العمود الفقري لتجربة ATLAS في مصادم الهادرونات الكبير التابع لـ CERN.

آلة رسم الخرائط ، التي يتم شحنها من جنيف ، سويسرا ، تتناسب مع قضبان دقيقة داخل أسطوانة المغناطيس ، حيث ستقوم بعض الألواح من جهاز قياس الحرارة الكهرومغناطيسي sPHENIX (EMCal) بقياس أنواع مختلفة من الجسيمات المشحونة وغير المشحونة في مصادمات RHIC. أنشئت. مجموعة Brookhaven’s Cryogenic مجال تسريع الاصطدام تم استخدام الهيليوم السائل لتبريد الملفات اللولبية فائقة التوصيل تبلغ درجة حرارة الكابلات 4.6 درجة كلفن (-451.4 درجة فهرنهايت) – وهي درجة الحرارة اللازمة لإنشاء مجال مغناطيسي. يدور ذراعان مدفوعان بمحركات تعمل بالرياح مثل المراوح لقياس المجال المغناطيسي ، بينما تحركت الفرق الآلة من أحد طرفي المغناطيس الأسطواني إلى الطرف الآخر. (قام الفنيون بتركيب أقسام EMCal النهائية بعد اكتمال مشروع رسم الخرائط.)

“نشكر Brookhaven Lab وخاصة الأشخاص في sPHENIX على تكليفنا برسم خريطة الملف اللولبي sPHENIX” ، هذا ما قاله نيكولا باسيفيكو من فريق رسم الخرائط في CERN ، والذي يضم فرانسوا غارنييه ورافائيل دامبس وبريتيندرا باوميك. “كل حملة رسم خرائط هي عبارة عن بحث وتطوير. يتم تنفيذها بمفردها وتعرض تحدياتها الخاصة. لقد استمتعنا بدعم فريق من ذوي المهارات العالية في الموقع ، مما سمح لنا بإكمال رسم الخرائط في الوقت المحدد. نتمنى لـ sPHENIX وفريقها كل النجاح في مشروع فيزيائي ، ومراجعة لرسم الخرائط التالي في مرصد Brookhaven. حتى! “

استخدم علماء sPHENIX خريطة محسوبة للمجال المغناطيسي للملف اللولبي لدفع عمليات محاكاة الاصطدام RHIC. ستزيد قياسات الدقة الجديدة من دقة فهم البيانات من التجارب المعقدة.

قال جون هاجرتي ، الفيزيائي في Brookhaven الذي قاد اكتساب المغناطيس في الأيام الأولى من sPHENIX: “بشكل عام ، في الفيزياء التجريبية ، يكون المزيد من المعلومات أفضل من القليل من المعلومات”. “يمكننا فقط تفسير ما نعتقد أننا بنيناه ، وليس ما قد نبنيه عن غير قصد. الآن ، لدينا خريطة أفضل.

الكاشف الفرعي الرئيسي قادم إلى Brookhaven

لم يكن المغناطيس الضخم مكون الكاشف الرئيسي الوحيد الذي جعل الرحلة عبر البلاد إلى sPHENIX. تم بناء أجزاء من كاشف قمة البيكسل ، يسمى MVTX ، في CERN ثم شحنها إلى مختبر لورانس بيركلي الوطني (LBNL) التابع لوزارة الطاقة في كاليفورنيا لتجميع الخبراء قبل الوصول بأمان إلى بروكهافن في أكتوبر. تم شحن الكاشف في جزأين في رحلة برية بطول 3000 ميل. استخدم الطاقم شاحنة ذات نظام تعليق خاص وكانوا حريصين على التفكير في الطريق الآمن والظروف الجوية.

يعد MVTX أحد مكونات RHIC الثلاثة التي تعمل معًا لقياس كاشفات السرعة لجميع الجسيمات المشحونة المنبعثة من الاصطدامات. (الاثنان الآخران هما Intermediate Silicon Strip Tracker (INTT ، انظر أدناه) وغرفة عرض الوقت (TPC) قيد الإنشاء في جامعة ستوني بروك.

يوفر MVTX ، الموجود في المركز المركزي لمغناطيس sPHENIX ، إجابة دقيقة جدًا للسؤال: هل جاء الجسيم من الاصطدام بالضبط ، أم مجرد عرض شعرة؟ اتضح أن الاختلافات في مثل هذه المسافات الصغيرة يمكن أن تحدث فرقًا كبيرًا.

وأوضح موريسون أن “آلاف الجسيمات تخرج من تصادماتنا”. “بعض هذه الجسيمات تتفكك وتصبح أنواعًا أخرى من الجسيمات – وهذا ينتج 50 ميكرونًا ، وهو ما يعادل سماكة الشعرة. يخبرنا MVTX بدقة شديدة من أين أتت الجسيمات ، بدقة تبلغ حوالي خمسة ميكرون ، ونحن نعرف ما إذا نشأ الجسيم في تصادم أو نتاج اضمحلال.

جزء MVTX الذي يجعل القياسات مضغوطًا – يبلغ طوله قدمًا تقريبًا وقطره 3.5 بوصة ويزن 3 أونصات. معًا ، يتكون MVTX من ثلاث طبقات متداخلة من مستشعرات السيليكون التي تبطن نصفين من أنبوب ألياف الكربون. في أحد طرفيه ، يتوهج الأنبوب مثل جرس البوق ، الذي يضم مجموعة من الكابلات والألياف التي تجعل الكاشف يقرأ ويقرأ.

قال إدوارد أوبراين ، مدير مشروع sPHENIX: “هناك 300 مليون قناة في هذه المجموعة الصغيرة ، العناصر التي تقول ، لقد رأيت شيئًا ما”. “إذا فكرنا في هذه القنوات على أنها وحدات بكسل ، فإن MVTX بها 40 بكسل أكثر من تلفزيونك عالي الدقة ، وهذه مساحة أصغر 20 مرة.”

قبل تثبيت الكاشف المعتمد على البكسل في أوائل العام المقبل ، سيتدرب مهندسو وفنيو sPHENIX على وضع هذه المكونات الدقيقة حول أنبوب الحزمة الخاص بالتجربة ، مما يسمح لهم بتحريك الجهاز إلى أقل من ملليمتر. إلى موضعه النهائي بعد تثبيت مكونات الكاشف الأخرى. قال موريسون: “إنها مثل لعب ‘عملية’ في الاتجاه المعاكس”. يقول إن طاقم sPHENIX سيكون جاهزًا عندما يحين الوقت لوضع القطعة النهائية في مكانها.

تتبع الأحداث عالية السرعة والمتداخلة

وفي الوقت نفسه ، يحرز الفريق تقدمًا في مكونات أخرى لتتبع الجسيمات.

مع زمن استجابة 60 نانوثانية-60 مليار في الثانية– INTT هو المفتاح في التقاط لقطات مستمرة لـ 15000 تصادم جسيم في الثانية ، أسرع بثلاث مرات من كاشف PENIX السابق.

تأخذ INTT قياسات حيث لا يفعلها MVTX و TPC ، مما يسمح للفيزيائيين بإعادة بناء مسار كامل للجسيمات. يساعد وقت الاستجابة الأسرع في تمييز المسارات التي تتداخل مع الأحداث عند تراكم الاصطدامات.

تم الانتهاء من الاكتشاف الفرعي في منتصف سبتمبر من خلال تعاون دولي يضم فنيين ومهندسين وباحثي ما بعد الدكتوراة وعلماء من اليابان وتايوان والولايات المتحدة. مركز أبحاث RIKEN BNL (RBRC) بمساهمات أمريكية ودولية إضافية.

يتكون INTT من أربع طبقات من نطاقات السيليكون المتداخلة التي تشكل كاشف جسيمات أشباه الموصلات بناءً على الكشف عن الإشعاع المؤين. تقع الأكوام في نصفين من أسطوانة طولها 10 أقدام. كان تجميع جزأي الكاشف معًا للاختبار وبعد التثبيت بفترة وجيزة مهمة صعبة مع العديد من الأجزاء المتحركة.

قال رشيد نويصر ، عالم الفيزياء النووية في مختبر بروكهافن ، وكبير العلماء الزائرين في RBRC ، والأستاذ المساعد في جامعة ستوني بروك ، والمدير المشارك لبناء كاشف INTT: “الأمر يشبه تحليق طائرة 747”.

لضمان “الهبوط الآمن” ، استخدم فريق تجميع INTT آلة ذات “مخلبين” يلتقطان كل نصف ويضغطان عليهما معًا ، بينما يقوم الفنيون بشد البراغي والمقابض حول الجهاز. يجب أن يحرصوا على عدم كسر شرائط السيليكون. هناك حاجة أيضًا إلى ضمان عدم وجود فجوات بين طبقات السيليكون المتداخلة ، بحيث يمكن للكاشف استقبال جميع إشارات الجسيمات أثناء تشغيله.

قال نوزر: “تتجه الفيزياء دائمًا نحو الدقة ويجب أن تواكب تكنولوجيا الكاشفات – نريد أن تكون أجهزة الكشف أسرع وأكثر دقة”. “إن مشاهدة جميع قنوات جهاز كشف INTD أثناء العمل هو إنجاز كبير. الآن ، نريد أن نجعله ماديًا.

مع تقدم العمل في كاشف مراقبة الغاز في TPC في Stony Brook ، يقترب وقت الفيزياء. ترقبوا تحديثًا آخر لمكون الكاشف هذا.

قال أوبراين: “لقد وصلنا إلى نهاية بناء مكون الكاشف. انتهينا من الأخطاء”. التحدي القادم هو إكمال التثبيت خلال الأشهر القليلة المقبلة. “

قال غونتر رولاند ، المتحدث المشارك في سفينيكس ، عالم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “كما ترون ، فإن بناء وتجميع مكونات الكشف المعقدة هذه هو جهد دولي ضخم”. “يجمع هذا العمل العديد من الفيزيائيين البارزين من جميع أنحاء العالم – 80 جامعة ومختبرًا و 400 متعاون من 14 دولة – لإنشاء هذا الاكتشاف والرؤية للعلم.”

يتم تمويل التطوير والعمليات في RHIC من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة (NP).

يتم دعم مختبر Brookhaven الوطني من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. يعد مكتب العلوم أكبر داعم للبحث الأساسي في العلوم الفيزيائية في الولايات المتحدة ويعمل على معالجة بعض التحديات الأكثر إلحاحًا في عصرنا. لمزيد من المعلومات، يرجى زيارة الموقع science.energy.gov.

تابعواBrookhavenLab تويتر أو تجدنا فيسبوك.