物理學家將嘗試創新的加速器技術，並提供高能量的偏振質子，以使用 STAR 的新探測器元件探索質子的內部結構。
相對論重離子對撞機(RHIC)的第22次執行將以偏振質子的碰撞、由STAR探測器的升級元件收集的新資料以及創新加速器技術的測試為特色。
相對論重離子對撞機(RHIC)第22次執行的粒子粉碎工作已經開始。RHIC是位於美國能源部布魯克海文國家實驗室的一個周長2.4英里的粒子對撞機，作為能源部科學辦公室的使用者設施，為世界各地的核物理學家提供粒子對撞的資料。這次執行的專案單上有：偏振質子束之間的碰撞，其中穿插著對創新加速器技術的測試。在這次執行中，RHIC最近升級的STAR探測器將在比以往更廣的角度範圍內跟蹤碰撞產生的粒子。
新資料將新增到早期的 RHIC 資料集中，探索可見物質的基本構建塊。此外，物理研究結果、加速器測試和探測器技術將在電子離子對撞機(EIC) 中發揮重要作用，美國能源部下(DOE)一個計劃中的核物理設施，它將重新使用 RHIC 的關鍵部件。
發現質子的普遍特性以及它們如何從夸克和膠子(質子內的構建塊)的相互作用中產生，是這兩個設施的核心目標。RHIC的質子-質子對撞可以揭示出前所未有的細節，並預示著某些特性如何取決於夸克和膠子的動態運動。
領導STAR升級專案的布魯克海文實驗室物理學家Elke Aschenauer指出，新的探測器元件將如何在RHIC進行測量，推進我們對核子結構的理解，並有助於為未來電子離子對撞機的測量奠定基礎。
“我們這次執行的目標基本上是用質子 - 質子碰撞進行 EIC 物理學研究，”布魯克海文實驗室物理學家 Elke-Caroline Aschenauer 說，她是 STAR 合作的成員，也參與了 EIC 的實驗和科學計劃的規劃。“同時進行 RHIC 和 EIC 的測量很重要，因為我們必須驗證在 EIC 的電子-質子碰撞和 RHIC 的質子-質子事件中測量的內容是通用的。也就是說它不取決於你用哪種探針來測量，”她解釋說。
這些測量依靠的是RHIC將質子的 "旋轉 "排列在一個向上的方向的能力。這種對準，或者說偏振(一種在像RHIC這樣的對撞機中獨一無二的能力)為科學家們提供了一個方向性的參考框架，以追蹤對撞中產生的粒子如何移動。
“我們正在使用偏振作為研究質子結構的載體，尤其是 3D 結構，包括內部粒子(夸克和膠子)如何在質子內部運動，”Aschenauer 說。
運送質子束
布魯克海文實驗室對撞機-加速器部門 (C-AD) 的物理學家們在 RHIC 周圍引導光束，他們決心為 STAR 提供它所需要的東西。
今年的執行協調人C-AD物理學家Vincent Schoefer說："對於第22次執行，我們將專注於盡可能的高效，並在儘可能高的偏振度下進行碰撞。”
當我們與Schoefer交談時，他正忙著 "喚醒 "那些自第17次執行以來就沒有使用過的裝置--上次在RHIC進行的偏振質子碰撞。這些裝置包括 "螺旋偶極子 "磁鐵，當質子在RHIC的雙加速器環上旋轉幾百萬圈時，它們有助於保持質子的極化。今年的執行將在最高的碰撞能量下進行：每對碰撞的質子有5000億電子伏特(GeV)。
Haixin Huang 和RHIC隧道的照片
C-AD 物理學家 Haixin Huang 和一些加速器元件，使 RHIC 的質子束在繞 2.4 英里周長的隧道(右)時保持對齊。
C-AD 團隊還在準備“偏振儀”來測量這些質子自旋的對齊程度。
"如果不能測量，光束有多高的偏振率也不重要。因此，偏振測量法真的很關鍵。"Schoefer說。
C-AD 中的加速器物理學家和參與依賴偏振光束進行測量的實驗物理學家合作設計了 RHIC 偏振計。
“這項工作是自 RHIC 開始以來一直在進行的小組之間合作型別的一個例子，”C-AD 物理學家 Haixin Huang 說。
提升偏振性
保持質子束緊密排列有助於保持極化。它還最大限度地提高了光束交叉時發生碰撞的可能性。但是將質子保持在一起是一個挑戰。
“它們都是帶正電的粒子，所以它們想要相互排斥，”Schoefer 解釋說。“把它們包裝得越緊，它們就越抗拒這種包裝。”
在加速的早期階段——在質子達到完全碰撞能量之前，排斥力特別強。因此，這次執行，C-AD 團隊將嘗試一種技術，該技術在 RHIC 加速較大粒子時有效，但之前從未用於質子。
Schoefer說："當每個質子束在助推器中仍處於低能量時，我們將把它們分成兩個，並把它們作為兩個獨立的質子束進行加速。"這種分裂將減輕低能量期間的一些壓力，然後我們可以將質子束重新合併在一起，將非常密集的質子束放入RHIC。"
期間，我們必須非常輕柔地處理質子，所以我們不會破壞我們準備好的光束。”
CA-D 團隊還將非常仔細地計算粒子透過對撞機路徑的軌跡。這一步應該有助於抵消加速器磁場(物理學家用來引導和聚焦光束)使質子自旋偏離理想排列的趨勢。
“我們將嘗試不同的軌跡，看看我們是否可以瞭解導致這種錯位發生的原因，”Schoefer 說。
這些技術的組合現在正在提供高度偏振的質子束，以便在STAR內部進行碰撞。
STAR升級
當他們分析這些碰撞的結果時，STAR 物理學家將尋找出現在偏振質子向上指向的方向左右的某些粒子的數量差異。
例如，他們想測試是否存在與不同顏色帶電粒子之間觀察到的吸引相互作用相反的具有類似“顏色”電荷的粒子之間的排斥相互作用。(色荷是夸克相互作用的電荷型別。)相反的力應該對某些粒子衰變產物產生相反的方向偏好。
STAR 在 2011 年收集的資料中首次看到了這種影響的跡象，該資料於 2016年釋出。對執行 17 中收集的其他資料的初步分析表明影響很小，但具有很大的不確定性。第22次執行將幫助STAR用更大的資料集減少這些不確定性。
此外，最近安裝的 STAR 升級將使物理學家能夠以以前無法接近的角度跟蹤探測器前後的粒子。
"這是我們預計左-右方向性偏好較大的區域，"Aschenauer說。
STAR 探測器的側檢視，插圖顯示粒子軌跡(左)和粒子探測器在碰撞中“命中”(右)。插圖的頂部顯示了與舊扇區(底部)相比，新 iTPC 扇區的覆蓋範圍。請注意新扇區如何記錄每個軌道的更多命中，尤其是靠近光束線的位置，以及更多向前和向後的角度的軌道(在插圖中更多的是在左邊和右邊)。
這些升級包括2019年安裝的內部時間投影室(iTPC)，它在圓柱形STAR探測器的內部區域放置了許多感測器，靠近碰撞的粒子。然後，今年早些時候，STAR團隊在探測器的一端外安裝了 "前向 "粒子跟蹤元件。
為了描繪這些升級如何增加 STAR 的粒子跟蹤範圍，將 STAR 想象成一個側放的桶，碰撞粒子從每一端進入。自從 RHIC於 2000 年第一次碰撞以來，STAR 一直在跟蹤垂直於槍管周圍碰撞粒子路徑出現的粒子。STAR 粒子軌跡的經典端檢視展示了這種 360 度檢測能力。但是從側面看，最初的 STAR 探測器只能跟蹤在向前或向後方向上與垂直方向成 45 度角的粒子。
來自伊利諾伊大學芝加哥分校的STAR合作者Zhenyu Ye說，這些升級 "擴大了粒子可以進入並被探測到的錐度"。Zhenyu Ye與來自臺南的國立成功大學和青島的山東大學的科學家合作，領導了安裝在STAR前端的新矽基粒子追蹤部件的設計和建造。
這些元件使科學家能夠檢測出幾乎與碰撞光束一致的粒子，包括揭示碰撞夸克能量、方向和自旋資訊的粒子射流。
“這些資訊對於繪製質子內部積木的 3D 排列至關重要，”山東大學的 Chi Yang 說。他與中國科學技術大學和布魯克海文實驗室的同事合作，為前向跟蹤探測器構建了額外的子探測器系統。
"布魯克海文實驗室物理學家Prashanth Shanmuganathan說："這些升級正好覆蓋了射流在EIC中會出現的角度。因此，除了增加探索彩色電荷相互作用的資料集之外，" 第22次執行將幫助我們瞭解探測器技術和核子結構的行為，以便我們能夠將這些知識應用於EIC。"
左圖：安裝在 STAR 探測器一端的光束管周圍的三個矽跟蹤器探測器模組的一個平面。閃亮的鏡面楔形排列在交替的“內部”和“外部”位置，在光束管周圍形成一個環，每個扇區都連線到讀出電子裝置。右圖：Zhenyu Ye 在插入 STAR 時間投影室 (TPC) 後檢查矽跟蹤器，它將在更靠近粒子碰撞點的位置執行。紫色管包裹著訊號讀出電纜，而透明管則將冷卻液輸送到檢測器。
冷卻質子
除了為 STAR 的第22次執行測量提供質子-質子碰撞之外，C-AD 團隊還將花費相當於兩週的時間來測試一種保持高能質子緊密堆積的技術。
保持粒子堆積對於最大化碰撞率和保持極化很重要。但是粒子擴散或升溫是所有加速離子束的問題——從質子到鈾核(在 RHIC 碰撞的最重離子)。
“這些離子束不會自然收縮;它們永遠不會意外地變得更密集，”Schoefer 說。
因此，RHIC加速器的物理學家已經開發出各種成功的技術來保持離子束的 "冷卻"。其中一些冷卻方法涉及提供 "踢"，將粒子推到一起，而其他方法則是利用其他粒子(電子)的coo l束，從迴圈的離子中提取熱量。
意識到不同的冷卻技術對不同能量的不同型別粒子最有效，物理學家正在探索幾種可能在 EIC 中使用的策略。在第22次執行中，他們將在高能偏振質子上測試一種叫做 "相干電子冷卻"(CeC)的東西。
如上所述，CeC 中帶負電的電子不僅在溫度上被冷卻，而是發揮了更積極的作用，如上所述。它們聚集在每個帶正電的質子周圍，形成質子束的一個 "模子"。
“這有點像當正畸醫生給你的牙齒做一個模具時戴上牙套，”Schoefer 說。“我們取一個質子束模型，然後稍微調整電子束以將質子吸引到更靠近中心位置的位置。當電子移動時，它們的電引力會拖曳質子。”
在 36 小時的時間裡，C-AD 物理學家將測試並嘗試微調該技術。
測量離子偏振
此外，在第22次執行期間，C-AD團隊將每兩週停止質子加速，進行12至16小時的加速器研發實驗。在其中一個專案中，他們將增加氦-3離子束，以研究測量質子以外的粒子的偏振的方法。
"在RHIC，我們唯一的偏振物種是偏振質子。但是EIC將做諸如氦-3等偏振離子的實驗。那是一個完全不同的野獸，"Schoefer說。
STAR技術支援小組的Felix Archampong、Robert Soja、William Struble和Rahul Sharma在STAR電子支援小組的支援下，完成了小條狀薄縫隙室的機械設計、建造和安裝--這裡顯示的是收集資料的位置。
C-AD團隊與物理系的 "冷QCD "小組成員合作，設計了測量這些更復雜離子的偏振的方法。
為了測量極化，物理學家透過光束噴射氣體作為目標，並測量光束中的粒子如何散射。
“對於質子來說，這已經是一個挑戰，但至少質子仍然是質子。當氦-3從一個目標上散射時，它可能分解為兩個質子和一箇中子，或者一個質子和一個氘核。物理系的科學家William Schmidke說："為了準確地測量偏振，我們必須確定何時發生破裂，"他一直在開發偏振檢測器以進行測量。
在第22次執行期間，物理學家們將使用氦-3的非偏振光束來測試元件準確描述散射產物的能力。
布魯克海文物理學家Oleg Eyser說："我們可以在不測量偏振的情況下進行這些測試，以發展這些方法，這樣當我們最終在EIC擁有偏振光束時，我們就能夠測量偏振了"，他是冷QCD團隊的另一名成員。
"許多人對RHIC第22次執行所需的探測器和加速器部件做出了重要貢獻。布魯克海文核與粒子物理實驗室副主任Haiyan Gao說："我們期待著令人興奮的物理學發現機會，以及推進我們在EIC所需的技術和物理學分析方法。
