东方时讯网今年物理学在相对论重离子对撞机(RHIC)上的开始也标志着一个新时代的开始。自2000年RHIC开始在美国能源部的布鲁克海文国家实验室运行以来，一种全新的探测器将首次跟踪金原子核以接近光速相互碰撞时发生的情况。新的探测器sPHENIX已经酝酿了十年。它具有大量组件，可实现RHIC以前无法实现的精确测量。
RHIC的STAR探测器自2000年以来一直在运行和发展，也将在第23次运行中创造一些第一。其最近升级的组件使探测器能够“看到”更多从碰撞中流出的粒子，这些粒子更靠近碰撞点，并且角度比以前。这套组件在低能碰撞中成功运行，现在将首次收集全能碰撞的数据。此外，STAR的物理学家期待着提高探测器每秒捕获多达5,000次碰撞事件的能力，这是前一年的两倍多。
布鲁克海文实验室物理系核物理副JamieDunlop说：“有一个非常丰富的物理项目要运行，全世界和媒体都对这个物理项目产生了极大的兴趣。”
这种兴趣的一个原因是什么?RHIC的研究深入研究构成当今宇宙中所有可见事物的物质——恒星、行星，甚至你和我。RHIC科学家使用粒子碰撞通过有效地让时间倒流来研究这种物质。
以非常高的能量碰撞原子核会熔化单个质子和中子的边界，释放出这些粒子的最内层结构单元：夸克和胶子。这种“自由”夸克和胶子系统——被称为夸克-胶子等离子体(QGP)——在大约140亿年前存在于自然界中，即宇宙诞生后的百万分之一秒，质子和中子还没有形成。使用STAR和sPHENIX等探测器研究这种物质可以提供线索，了解物质为什么会以它的方式表现。
为什么要使用新的检测器?
“RHIC背后的最初想法是QGP是否存在?”Brookhaven实验室的物理学家和sPHENIX联合发言人DaveMorrison说。“那么RHIC和大型强子对撞机(LHC)的重离子计划所做的很大一部分一直在探索QGP的行为方式，它的特性是什么?”
麻省理工学院(MIT)物理学家GuntherRoland是sPHENIX的另一位联合发言人，他指出，“我们在过去15年左右的时间里对这些问题有了答案。现在我们想转向一组新的问题——了解如何这些特性源于夸克和胶子的潜在相互作用。没有人知道答案。我们意识到我们需要一个新的实验来提供这些答案。”
sPHENIX探测器的科学目标在2015年核科学长期计划中得到强调，该计划是指导美国在该领域进行研究的路线图。该探测器具有精密组件，可收集回答有关射流(碰撞中产生的粒子的准直集合)和称为upsilon的夸克-反夸克粒子家族的非常具体的问题所需的数据。
莫里森说，研究不同的upsilons与RHIC碰撞中产生的物质相互作用的方式，“就像在QGP中放一个卷尺，并测量影响夸克和胶子的力作用的距离。”跟踪构成射流的粒子穿过等离子体的角度，以及它们所具有的能量或动量，“让我们对QGP影响夸克和胶子相互作用的方式有了不同的理解。”
但在科学家们进行这些精确测量之前，他们将确保他们在过去七年半中建造的探测器能够正常运行。
调试sPHENIX
“sPHENIX是一个非常复杂的探测器，具有许多不同的系统，调试一切的广泛过程将是2023年运行的重中之重，”莫里森说。
“多年来，数百人一直致力于sPHENIX，令人兴奋不已，”Roland补充道。“但需要非常谨慎地以一种非常系统的方式进行。”
sPHENIX探测器的时间项目室的端视图，它将在相对论重离子对撞机(RHIC)的第23次运行期间进行首次碰撞。运行的首要任务是调试sPHENIX的所有复杂组件。图片来源：布鲁克海文国家实验室
一方面，虽然RHIC将以其最高能量运行以进行重离子碰撞(每对碰撞核对2000亿电子伏特或GeV)，但它的光度(碰撞率)将至少在第一次碰撞时有意保持较低水平几周的跑步。
“我们将系统地验证每个检测器系统的操作——从最简单的提供触发器(告诉我们是否发生碰撞)到高能核中曾经使用过的一些最复杂的检测器开始物理学，”罗兰说。
sPHENIX团队正计划进行一段时间的系统故障排除。
“当你第一次调试这种独一无二的探测器或收集独一无二的设备时，总是会出现一些小谜团，然后需要解决这些谜团，”罗兰指出.
他们将进行一些他们已经知道答案的测量，并进行必要的调整以确保所有探测器组件协同工作以捕获每次碰撞的细节。想想在全光度下会发生什么，就会清楚为什么这个过程会更容易，碰撞更少。
“在全光度下，每100纳秒就会发生一次碰撞。因此可能会发生相当多的碰撞，每一次都会将轨道放入探测器的‘时间投影室’(TPC)，”莫里森说。构成这些轨道的所有电子都在漂移，可能会相互重叠和干扰。
TPC内部还有一个复杂的激光系统，它将产生科学家用来与碰撞发射的粒子产生的电子轨迹进行比较的已知电子轨迹。
莫里森说：“这将就像一个迪斯科舞厅，里面到处都是激光。”“我们需要确保我们了解激光器的工作原理、TPC的工作原理以及所有其他组件，因为在我们提高到全光度之前每秒碰撞次数不是很多。”
STAR的“软”探索
同时，即使在运行开始时碰撞率较低，STAR也会利用高碰撞能量。
“RHIC的最后一次200GeV金-金运行是在2016年，”STAR联合发言人、布鲁克海文的物理学家LijuanRuan说。她解释说，从那时起，一个非常适合当时所需测量但会降低其他测量分辨率的检测器组件已被移除——因此有望提高本次运行的分辨率。此外，一系列STAR组件升级提高了探测器跟踪最靠近碰撞点的粒子的能力，并且还在探测器一端的“前向”方向上以有史以来最宽的角度跟踪粒子。
“第23次运行是第一次所有这些探测器升级将看到粒子从RHIC的最高碰撞能量的相互作用中出现，”Ruan说。
在这次运行和2025年的计划运行中，STAR团队将使用这些组件和STAR的其余功能来收集能量或横向动量极低的粒子的高统计数据。例如，将这些所谓的“软可观测值”的测量扩展到前方区域，可以帮助揭示QGP的全局属性。示例包括粒子如何集体流过等离子体、变量(如粘度)的温度依赖性，以及夸克和胶子之间相互作用的变化对流出粒子的自旋排列的影响程度。
“以前，我们一次观察一个或另一个可观察到的，并将这些测量结果与模型的预测进行比较以得出结论，”Ruan说。“但是现在，凭借新的探测器功能和高统计数据，我们正在进入一个使用多个可观测值的精确时代——一种多信使方法——在全球范围内观察它们。这将有助于我们理解重离子碰撞的演变和性质QGP的。”
为了获得这些高统计数据，STAR还将利用最近的升级，将其TPC的读取速度提高一倍以上。以前每秒最多可以记录2000个事件，STARTPC现在可以在不到眨眼的时间内捕获多达5000次碰撞。
随着运行从相对较低的光度开始，STAR物理学家可能要到今年夏天晚些时候才能将他们的探测器推到那个最大水平。但他们明白需要为sPHENIX提供跟上速度所需的条件。
耶鲁大学物理学家海伦·凯恩斯(HelenCaines)最近结束了她作为STAR联合发言人的六年任期，她说：“调试他们的探测器是这次运行中最重要的事情。我们将收集数据，但sPHENIX将推动运行”.
当碰撞率上升时，STAR将准备就绪。
凯恩斯说：“我们拥有STAR目前拥有的最好的粒子接受度、最高速率的探测器，因此我们将使用迄今为止最好、最全面的探测器套件来收集数据。”.“这将是一个我们可以在未来很长一段时间内进行分析的数据集。”
带来光度
sPHENIX合作也渴望获得充分的光度，以开始解决它旨在回答的物理问题。
sPHENIX合作联合发言人莫里森说：“我们的计划是在探测器调试后进行数周的物理数据采集。”“sPHENIX可以用这些数据做大量的物理学。”
新探测器的任务将集中在硬探测器上——高能粒子射流和由重夸克制成的粒子，它们需要大量能量才能产生。
“我们将让RHIC首次看到来自非常重的底夸克碎片的喷流，这些喷流具有惊人的统计精度。这些测量可以探索碰撞中成对喷流发生的情况，例如那些相对于相对于不同方向产生的喷流。剩下的颗粒出来了，”莫里森说。“这可以帮助我们了解夸克和胶子真正微观的相互作用是如何产生QGP特性的，比如它的完美流动性。”
他指出：“我们将开始观察upsilon介子家族的三个不同成员会发生什么，”每个成员都由一个与反底夸克结合但具有不同结合能的底夸克组成。这些测量将为科学家提供有关夸克和胶子之间强力相互作用的长度尺度以及QGP潜在温度的信息。
麻省理工学院的罗兰说，sPHENIX的目的是“全面了解这些硬探测器的碰撞，以及它们与代表QGP主体的软粒子的相关性，一旦它变回强子[复合材料]由夸克和/或反夸克构成的粒子]。”
其中一些测量将依赖于2025年运行中收集的额外的金-金碰撞数据，以及2024年的质子-质子碰撞数据，这些数据将提供必要的比较数据。
“完整的物理程序需要尽可能多的数据，可以在RHIC的剩余运行中收集到，以便为我们提供完成sPHENIX程序的统计范围，”罗兰说。
RHIC的实验依赖于加速器物理学家在每个探测器内以指定能量和速率传送粒子束的能力。在Run23协调员TravisShrey的指导下，美国能源部科学办公室用户设施的对撞机-加速器部门(C-AD)工作人员将展示他们的实力和机器的多功能性。
如前所述，运行将从金离子束(剥离电子的金原子核)以低强度进入RHIC的两个反向循环环开始——这意味着更少的粒子束和每束更少的粒子——以保持碰撞低。但是每束光束都将被加速以在位于两个环交叉的相互作用区域的sPHENIX和STAR探测器内以全能量碰撞。
RHIC的传统操作方式是两束沿相反方向行进的光束在探测器内彼此直接穿过。这允许在每对碰撞束的整个长度上的相对光束中的粒子之间发生碰撞。但是对于这次运行，粒子将沿着不同的路径以一定角度相互交叉。
C-ADWolframFischer说：“这个交叉角产生了一个更窄的碰撞区，这将提高sPHENIX探测器的性能，尤其是sPHENIX探测器的性能。”
在sPHENIX调试期间，加速器物理学家将使用一系列工具来监测光束的大小和位置——以及控制这些光束特性的技术——以在STAR上保持缓慢但恒定的碰撞率。
随着碰撞率的上升，将继续监测和优化光束，利用新近重新投入使用的“随机冷却”系统和翻新的超导射频(RF)腔。
MichikoMinty解释说：“随机冷却系统中的传感器测量每束粒子内粒子位置的微小随机波动，并将信号发送到‘踢球’腔，将粒子推回到一起。这些推动导致更密集的束。”C-AD加速器部门负责人。“同样，56兆赫兹RF腔体与其他RF腔体一起，将防止束因束内散射而延长。”
离子束的所有这些挤压和缩短增加了离子碰撞的机会。它还有助于在sPHENIX检测器内保持较短的光束交叉区域。
“由于最近对电子束离子源(EBIS)进行了升级，还将可以获得更高的束流强度，”Minty说。EBIS是产生RHIC重离子束并将它们注入加速器链的机器，加速器链将束送入对撞机。“今年我们运营的金束将比以往任何时候都多40%，”她说。
除了为实验提供黄金外，C-AD工作人员还将实施新系统，以在RHIC的光束定期倾倒时保护探测器。他们还将对额外的光束冷却系统和加速方案进行测试，这些方案将在布鲁克海文的后RHICC-AD操作中发挥作用，届时RHIC的许多加速器组件将转变为电子离子对撞机(EIC)。
“我们计划利用这次运行的每一秒来帮助sPHENIX和STAR实现他们的目标，并探索我们可以充分利用世界上最通用的粒子加速器和对撞机复合体的所有方法——无论是现在还是将来，“费舍尔说。