原文筆者：Karen McNulty Walsh
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この記事は原文を日本語訳にしたものです。
科学者、エンジニア、技術者、学生が、相対論的重イオン衝突型加速器 (RHIC) で主要な検出器アップグレードの最先端のコンポーネントを組み立てます
左：ブルックヘブン国立研究所で現在進行中の相対論的重イオン衝突型加速器 (RHIC) での PHENIX 実験のアップグレードである sPHENIX 検出器のコンポーネントの概略図。 完了すると、検出器は1秒あたり15,000個の粒子衝突のスナップショットを右に示されているシミュレートされたイベントのようにキャプチャします。
アップグレードされた 1000 トンの粒子検出器用の真新しい最先端のコンポーネントが、米国エネルギー省 (DOE) のブルックヘブン国立研究所に設置されています。 sPHENIX として知られるこの検出器は、2000 年にラボの相対論的重イオン衝突型加速器 (RHIC) で最初にデータの取得を開始した PHENIX 実験の根本的な改造です。sPHENIX のアップグレードは、RHICのエネルギー粒子スマッシュアップで作成された核物質のエキゾチックな形態であるクォーク・グルーオン・プラズマ (QGP)（一番下に詳細アリ） について学ぶ科学者の技量を大幅に向上させます。
「RHIC は、QGP の特性について多くの発見をしました」と、sPHENIX の共同スポークスマンであり、マサチューセッツ工科大学の物理学者である Gunther Roland 氏は述べています。「現在、QGP の構造をより詳細に、より高い精度で見るために、新しい顕微鏡が必要です。 その顕微鏡がsPHENIXです。」
DOE 科学局の核物理局のプロジェクトであるsPHENIXは、2023 年にデータ収集を開始する予定です。建設が完了すると、検出器は 2 階建ての家ほどの大きさになります。検出器は円筒形で、その中心に巨大な超電導磁石が入っています。磁石は、衝突で生成された荷電粒子の軌道を曲げますが、中心コア内およびその周囲に積層されたさまざまな検出器の構成部分が、各衝突から放出される粒子のエネルギーおよびその他の特性を測定します。 巨大な3Dデジタルカメラのように、検出器は1秒あたり15,000個の粒子衝突のスナップショットをキャプチャします。これはPHENIXの3倍以上の速さです。
「sPHENIXは、過去20年間にRHICで衝突率を高めるために行われたすべての加速器の改善を活用するように特別に設計されました」と、sPHENIXプロジェクトディレクターの Ed O'Brien 氏は述べています。
献身的な科学者、エンジニア、技術者、学生からなるチームは、ブルックヘブンと、全国および世界中の大学と協力機関の両方で、sPHENIX の構成部分の構築とテストに取り組んできました。 彼らは、RHICとヨーロッパの大型ハドロンコライダー (LHC) で得た経験に基づいて、各コンポーネントを設計および最適化しました。LHCは、RHICよりも高いエネルギーでQGPを作成するために時間の一部を費やします。
「LHCで開発された検出器と分析技術は素晴らしいです。」ともう一人のsPHENIXの共同スポークスパーソンであるブルックヘブン研究所の核物理学者デイブ・モリソンは、述べました。「sPHENIX は、これらの技術をRHICに戻します。私たちが今行っていることはすべて、研究開発のあらゆる部分から恩恵を受けて、sPHENIXを可能な限り最高のものにし、簡単に組み立てることができます。私たちは、建築家が「家」の計画について話し合うことから、ゼネコンが実際に 2 x 4 を打ち合わせることに移行しました。」
チームは、2021 年初頭に sPHENIX 外部ハドロン熱量計のセクターの組み立てに取り組みました。コロラド大学ボルダー校の大学院生である Berenice Garcia と Jeff Ouellette が最前列にいます。
検出器部分の組み立て
sPHENIX の核物理学者は、エンジニア、技術者、およびその他の国際チームと協力して、検出器構成部分を組み立ててきました。チームには、COVID-19パンデミックの最中にsPHENIXのアップグレードに関するミッションにクリティカルな作業を行うために、さまざまな協力機関からラボに移動した 12 人の大学院生が含まれています。
「最終的にデータを取得することになる実験の初期段階に若者が参加することには、非常に大きな価値があります。」とsPHENIX の共同研究者であり、コロラド大学ボルダー校 (CU) の物理学教授である Dennis Perepelitsa は述べました。 「理解しようとしているデータと、それを実際に記録した検出器との間の物理的な「実践的な」繋がりに勝るものはありません。」
4 人のCU大学院生が構成部分の組み立てを手伝い、主要なカロリメータのうち2つをテストしました。これは、RHIC のイオン衝突から発生するさまざまな種類の荷電粒子と非荷電粒子のエネルギーを測定する検出器システムです。
各カロリメータは、衝突で作成されたクォークとグルーオンの熱いスープからあらゆる方向に出現する粒子から信号を取得する多くの個別の部分で構成されています。 これらの測定値は、科学者が個々のクォークまたはグルーオンとの衝突によって生成された粒子のジェットが、QGPの高温で高密度のスープによってどのように影響を受けるかを研究するのに役立ちます。この発見は、QGPの特性がこれらの根底にあるクォークとグルーオンの相互作用からどのように生じるかを理解するのに役立つはずです。
「私は、電磁カロリメータの電子部品の初期テスト (カロリメータの部分に組み込まれる前) と、完成した部分の最終的な電子機器の読み取りテストに取り組むように割り当てられました。」と5年目の博士号で2020年11月にブルックヘブンに到着したCUからの候補者であるJeff Ouelletteは言いました。彼はまた、ソレノイド磁石を取り囲み、クォークでできた粒子であるハドロンのエネルギーを測定する同様の検出器構成部分で構成される「外部ハドロンカロリメータ」の完成にも貢献しました。
「基本的に、デザインは非常に似ています。 そのため、1つの検出器に取り組んでいる間に何かを学び、それを別の検出器に適用するのは簡単でした」と彼は言いました。
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sPHENIXの70トンのキャリッジベースが5月にブルックヘブンラボに到着しました。リガー、技術者、およびエンジニアは、新しく強化された組み立てプラットフォーム上でそれを所定の位置に操作しました。トラックは、完了時に検出器が相互作用領域にスライドできるようにします。
博士号取得3年目でCUの学生のベレニス・ガルシアは2021年1月にBrookhavenのチームに加わりました。
「外部ハドロンカロリメータを管理している科学者であるジェフ・ウエレットとステファン・ベイスは、セクターを組み立ててテストする方法を説明してくれました」と彼女は言いました。「料理のレシピに従うようなものでした。彼らは、タイル、信号ケーブル、光ファイバーなど、すべての構成要素を提供してくれました。私たちがしなければならなかったのは、一連の手順に従ってそれらを組み立てることだけでした。」
「セクターをテストし、期待されるシグナルが得られていることを確認する必要があったときに課題が発生しました」と彼女は指摘しました。「信号がまったく受信されない場合がありました。そのため、この問題の原因となっている部分を特定する必要がありました。 数分かかることもあれば、数時間かかることもたくさんありました。でも、最終的に問題の解決策を見つけたときは、とても幸せだったので、それは問題ありません！」
ビルディングブロックを組み立てる
カロリメータのセクターが完全に組み立てられてテストされたら、検出器のビルディング ブロックを組み立てて、物質の構成要素の秘密を解き明かす準備が整う時が来ました。
5月には、検出器の70トンのキャリッジベース (ニューヨーク州北部の鉄鋼加工工場で製造) がブルックヘブンの現場に到着しました。このベースは、検出器コンポーネントを下から上に組み立てるための基礎を提供します。
最初にハドロンカロリメータの下部セクターが来て、円筒形の超伝導ソレノイド磁石の周りに外側リングを形成します。
「全部で32のセクターがあり、それぞれの長さは約20フィート、重さは最大18トンです」とMorrison氏は言います。「一度に1つのセクターの下にあるものをインストールします。中間点に達すると、ソレノイド磁石が上に配置され、残りのカロリメータセグメントが磁石の周りと上に配置されます。まるでローマのアーチを構築しているようなものです。」
科学者は、すべての荷電粒子の運動量を追跡および決定するために、シリコン検出器とTime Projection Chamber（TPC）を追加します。
「膨大な量の進歩がありました」とモリソンは言いました。「私たちは建設段階のほぼ半分にあり、データの取得を開始してから 2 年も経っていません。」 巨大な物理検出器を組み立てる世界で、彼は「それは実質明日だ！」と言いました。
sPHENIXの組み立ては段階的に行われ、外側のハドロンカロリメータの下部セクターから始まり、次に円筒形ソレノイド磁石、外側カロリメータの上部セクターが続きます。次に (図示されていません)、内部検出器コンポーネントとサポートシステムが追加されます。
基礎部分の近代化
検出器自体のアップグレードに加えて、RHIC チームは PHENIX 実験ホールとサポート ビルディングにも多くの改良を加えました。これらの基礎部分の改善は、sPHENIXが可能な限り効率的に動作するのに役立ちます。
「sPHENIXには、現代的で大規模な多目的コライダー検出器の最新の技術革新が含まれています」と、ブルックヘブン研究所の核素粒子物理学総局で将来の研究プログラムの戦略計画を担当する副研究所所長のMaria Chamizo-Llatas氏は述べています。「このような最先端の 21 世紀の検出器をホストするには、施設の近代化が不可欠です。」
たとえば、sPHENIXのコアにある超伝導マグネットは、抵抗ゼロで電流を流すために、超低温 (絶対零度近くに保たれている) でなければなりません。その超伝導性は、磁石が高電流を流して非常に強力な磁場を生成できるようにする機能です。このような強い場は、電子や陽電子のような高速荷電粒子の軌道を曲げることができます。
実験の共同スポークスパーソンであるローランド氏は、「強力な曲げ力により、ウプシロンと呼ばれる他の粒子の崩壊から生じる電子と陽電子を研究することができます。」と言いました。ウプシロンには、質量のわずかな違いで3つの種類があります。強力な磁場により、物理学者は崩壊生成物の軌跡を正確に引き出し、「親」のウプシロンの質量を計算して、さまざまな種類を区別することができます。「質量のわずかな違いで粒子をきれいに分離するこの能力は、sPHENIXの決定的な特徴となるでしょう」と Roland 氏は述べています。
sPHENIX の共同スポークスパーソンである David Morrison と sPHENIX プロジェクト ディレクターの Edward O'Brien は、検出器を支える曲面構造の隣に立っています。 それらの間に、外側のハドロンカロリメータの最初の2つのセクターが配置されているのがわかります。
磁石を低温に保つために、ブルックヘブンのコライダー加速器部門のエンジニアと技術者は、華氏-452度の温度の液体ヘリウムをRHICの超伝導加速器磁石に供給する極低温システムに直接接続します。「このセットアップは、磁石のための効率的で費用対効果の高い液体ヘリウム源を提供します。」とsPHENIXプロジェクトエンジニアの James Mills 氏は次のように述べました
アップグレードされた検出器は、組み立てホールと、データを取得するときに配置される RHIC リング内の相互作用において、追加の構造的サポートも必要になります。
「sPHENIX の総重量は元の PHENIX 実験と大差ありませんが、sPHENIX はよりコンパクトです」と、プロジェクトのチーフ メカニカル エンジニアである Russell Feder 氏は述べています。 「この小さな設置面積は、床とその下の土の下部構造により局所的な力を生み出します。」
負荷を処理するために、チームはコンクリート土台に埋め込まれた追加の鉄筋を設置しています。「このシステムは、検出器をサポートする既存のトラックシステムに構造的に接続され、組み立てエリアから相互作用領域に移動できるようになります」とFeder 氏は述べています。
「主要な Brookhaven Lab 組織と専任の技術およびエンジニアリング スタッフからのサポートがなければ、このアップグレードを行うことはできませんでした。」とChamizo-Llatasは言いました。
「私たちをここまでたどり着けたのは、信じられないほどのチームの努力でした」とsPHENIX プロジェクト ディレクターの O’Brien 氏は同意しました。「私たちは、数十の協力機関から重要な貢献を得ているだけでなく、多くのブルックヘブン研究所組織と米国エネルギー省からも重要な支援を受けています。 全員の緊密な協力がなければ、世界的なパンデミックの際に主要な科学機器を構築することはできなかったでしょう。」
QGP：QGP は、クォークとグルーオンと呼ばれる素粒子のスープです。 これらの粒子は通常、今日の世界で原子核を構成する陽子や中性子など、他の粒子の一部としてのみ存在します。 しかし、陽子と中性子が形成される数十億年前のほんの一瞬の間、宇宙全体は自由で束縛されていないクォークとグルーオンでできていました。 重い原子核を非常に高いエネルギーで衝突させると、時計が元に戻ります。 衝突によって陽子と中性子が「溶け」、内部の構成要素が解放されます。 このクォークとグルーオンのスープから発生する粒子を追跡することで、科学者は宇宙がどのように進化したかについての手がかりを得ることができます。 また、これらの基本的な構成要素をまとめる力についても学びます。
sPHENIX と RHIC での運用は、DOE 科学局 (NP) によって資金提供されています。
ブルックヘブン国立研究所は、米国エネルギー省科学局の支援を受けています。Office of Science は、米国の物理科学における基礎研究の最大の支援者であり、現代の最も差し迫ったいくつかの課題に対処するために取り組んでいます。詳細については、science.energy.govをご覧ください。
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