原文筆者：Kelly Zegers
コラボレーター達は、高度な粒子検出器の2023年春のスタートアップを目指しています。
左から:CERN磁石マッピングの専門家であるNicola Pacifico、Francois Garnier、Raphael Dumps、Pritindra Bhowmickが11月にsPHENIXを訪れ、sPHENIX検出器の心臓部にある超伝導磁石によって生成された磁場をマッピングしました。
米国エネルギー省(DOE)のブルックヘブン国立研究所の物理学者、エンジニア、および技術者は、来春初めて衝突スナップショットの取得を開始する住宅サイズの粒子検出器の重要な開発で1年を締めくくっています。
sPHENIXとして知られる最先端の3階建ての1,000トンの検出器は、核物理研究のための DOE科学局ユーザー施設である相対論的重イオン衝突型加速器(RHIC)での衝突から流れる粒子を正確にトラッキングします。これは、2000年から2016年までRHICでデータを取得したPHENIX実験の継続的な改造です。アップグレードされた最先端のsPHENIXにより、科学者はクォーク・グルーオン・プラズマ(QGP) −陽子と中性子の内部構成要素である素粒子がスープ状になったもの、の特性をよりよく理解できるようになります。科学者は、これらの粒子を測定して、これらの構成要素がどのように相互作用して、私たちの世界を構成する目に見える物質を形成するかについて詳しく知りたいと考えています。
最近、重要な粒子トラッキングの構成部品が完成し、検出器のコアにある超伝導電磁石の磁場をマッピングするプロジェクトが完了したため、sPHENIXのクルーは最終的な設置に向けて準備を進めています。
「これらの残りの部分がどのように組み合わされるかという非常に複雑なプロセスのこの全体的なステップがあり、それは今後数か月で実行され、春にデータを収集するための形になります」とブルックヘブン研究所の各物理学者でsPHENIXの共同代弁者であるDavid Morrisonは述べています。
sPHENIXの中心的な構成部品は、20トンの円筒形の,超伝導ソレノイドマグネットです。 かつては、カリフォルニア州のSLAC国立加速器研究所で行われたBaBarと呼ばれる実験の中心的存在でした。クルーは2015年にそれを全国に輸送し、2016年に低磁場で、2018 年に高磁場でテストし、昨年sPHENIXで慎重に設置しました。
この磁石は、1.4テスラ、つまり磁気共鳴画像(MRI)スキャンに使用される磁石とほぼ同じ強さの、正確で均一な磁場を生成します。強力な磁場は、原子核がRHICで衝突するときに生成される「破片」の中にある荷電粒子の軌道を曲げます。
残りの検出器は、磁石のドラムの内側に重ねられ、これらの原子核の衝突から流出する粒子の位置を非常に正確に測定し、そこから他の特性を得ることができます。科学者は、これらの測定値の“点を結び付け”て、ウプシロンと呼ばれる3種類の“親”粒子間の非常に小さな違いを識別しようとしています。ウプシロンデータは、RHICでsPHENIXを使用した多数の研究の1つにすぎず、QGPがクォークとグルーオンの熱いスープから既知の物質にどのように移行するかについての手がかりを明らかにします。
しかし、これらの最終のトラッキング構成部品を取り付ける前に、sPHENIXのクルーはソレノイドの磁場をマッピングしようとしました。
ブルックヘブンの物理学者、Kin Yip氏は、「磁石の中心部がいっぱいになると、中にマッピングマシンを配置することはできません。」と言います。
欧州原子核研究機構であるCERNのチームが11月にブルックヘブンにやって来て、この精密な作業に取り組みました。
「CERNの検出器技術グループは、磁石マッピングの世界的な専門家です」とYip氏は述べています。
CERNチームは、CERNの大型ハドロン衝突型加速器(LHC)でのATLAS実験の中枢を形成する磁石のマッピングに以前使用したものと同じマッピングマシンを使用しました。
スイスのジュネーブから輸送されたマッピングマシンは、RHIC衝突でさまざまな種類の荷電粒子と非荷電粒子を測定するsPHENIXの電磁カロリメータ(EMCal：RHIC衝突でさまざまな種類の荷電粒子と非荷電粒子を測定)の一部のパネルがまだ取り付けられていなかったマグネットのドラム内の精密レールに収まりました。ブルックヘブンの衝突型加速器部門の極低温グループは、液体ヘリウムを使用して、ソレノイドの超伝導ケーブルを4.6K (華氏-451.4度)まで冷却しました。これは、磁場を生成するために必要な温度です。プロペラのように回転する空気動力モーターによって動かされる2つのアームは、クルーが円柱状の磁石の一方の端から他方の端までの点に沿って機械を踏みながら、磁場を測定しました。(技術者は、マッピングプロジェクトが終了した直後に、最終的なEMCalセグメントをインストールしました。)
Francois Garnier、Raphael Dumps、Pritindra Bhowmickを含むCERNのマッピンググループのNicola Pacifico氏は、「ブルックヘブン研究所、特にsPHENIXソレノイドのマッピングを依頼してくれたsPHENIXの人々に感謝します」と述べています。「すべてのマッピングの活動は、それ自体がR&Dの演習であり、特定の課題を提示します。現場の非常に有能なチームのサポートにより、タイムリーにマッピングを完了することができました。私たちは、sPHENIXとそのチームが物理学プログラムで完全な成功を収めることを願っています。」
sPHENIXの科学者は、ソレノイドの磁場の計算されたマップを使用して、RHIC衝突シミュレーションを実行していました。新しい精度の測定により、複雑な実験が開始されて実行されると、データを解読する精度が向上します。
「一般に、実験物理学では、情報が少ないよりは多いほうがよい」と、sPHENIXの初期に磁石の導入を主導したブルックヘブンの物理学者であるJohn Haggertyは述べています。「私たちが計算できるのは、自分が作ったと思っているものだけであり、うっかりして作ったものではありません。これで、可能な限り最高のマップができました。」
マサチューセッツ工科大学のポスドクであるCameron Dean博士は、DOEのLawrence Berkeley国立研究所の専門家が組み立ててブルックヘブン研究所に送った複雑なMVTX検出器を持っています。「私はMVTXプロジェクトに4年近く取り組んできましたが、個々のピクセルチップから本格的な検出器へと進歩するのを見るのは驚くべきことです」と Dean氏は述べています。「数か月後にsPHENIX内で電源を入れて、まったく新しい実験で最初の衝突を記録するのを見るのが待ちきれません。」
sPHENIXへ国を跨いで導入された主要な検出器構成部品は、巨大なマグネットだけではありません。MVTXとして知られるピクセルベースの頂点検出器の部品はCERNで製造され、専門家による組み立てのためにカリフォルニア州のDOEのLawrence Berkeley国立研究所(LBNL)に出荷され、10月に無事にブルックヘブンに到着しました。検出器は、3,000マイルの国を跨いだ輸送のために2つに分割されて送られました。クルーは特別なサスペンションを備えたトラックを使用し、安全なルートと気象条件に注意を払いました。
MVTXは、連携して位置を測定し、RHICの衝突から発生するすべての荷電粒子の運動量を決定する3つの構成要素の1つです。(他の2つはIntermediate Silicon Strip Tracker (INTT、以下を参照)と、Stony Brook大学で建設中のTime Projection Chamber (TPC)です。)
sPHENIX磁石の中心コア内に配置されるMVTXは、問題に対する非常に正確な答えを提供します: 粒子は衝突から正確に来たのか、それとも髪の毛の幅の何分の1か離れたところから来たのか?このようなわずかな距離の違いが大きな違いを生むことがわかりました。
「何千もの粒子が衝突から出てきます」とMorrisonは説明しました。「これらの粒子の一部は崩壊し、すぐに別の種類の粒子に変わります。おそらく50ミクロンで、髪の毛の太さです。MVTXは、約5ミクロンの精度で粒子がどこから来たのかを非常に正確に教えてくれるので、粒子が衝突自体で作成されたのか、それとも崩壊などの産物なのかがわかります。」
実際に測定を行うMVTXの部分はコンパクトで、長さ約1フィート、直径3.5インチ、重さは約3オンスです。全体として、MVTXはシリコンセンサーの3つの重なり合う層で構成されており、カーボンファイバーチューブの半分が2つ並んでいます。一方の端では、チューブはトランペットのベルのように広がり、検出器に電力を供給して読み取る多くのケーブルとファイバーに適合します。
「このコンパクトなパッケージには、3 億のチャンネルがあり、「何かを見た」と言うことができます」とsPHENIXプロジェクトディレクターのEdward O’Brienは述べています。「これらのチャンネルをピクセルとして考えると、MVTXは20分の1以上のスペースに詰め込まれた高解像度テレビよりも40倍多いピクセルを持っています。」
来年初めにピクセルベースの検出器を設置する前に、sPHENIXのエンジニアと技術者は、このデリケートな構成部品の実物大模型を実験のビームパイプの周りに配置する練習を行います。デバイスをスライドさせるためのわずかな隙間(約1 mm)しかありません。他の検出器構成部品を取り付けた後、最終的な位置に取り付けます。「それは『オペレーション』というゲームを逆にプレイするようなものです」とMorrisonは言いました。最後のピースを配置する時が来たら、sPHENIXのクルーは準備ができていると彼は言います。
日本、台湾、米国の技術者、エンジニア、ポスドク、および科学者が、シリコンストリップ半導体検出器の4つのバレル層で構成されるINTT検出器を構築しました。左から：下村真弥、Robert Pisani、Cheng-Wei Shih、糠塚元気、Seberg Nicholas、Raul Cecato、Ivan Kotov、Savatore Polizzo、中川格、Rachid Nouicer。
その間、チームは他の粒子追跡の構成部品の開発を進めています。
60ナノ秒(600億分の1秒)の応答時間を持つINTTは、以前のPHENIX検出器よりも3倍以上速く、1秒あたり15,000個の粒子衝突の連続スナップショットをキャプチャする上で重要です。
INTTは、MVTXとTPCが測定しない空間で測定を行うため、物理学者は完全な粒子軌跡を再構築できます。超高速の応答時間により、衝突が積み重なっているときに、どのトラックが重複したイベントから来るのかを区別できます。
サブ検出器は、日本、台湾、米国の技術者、エンジニア、ポスドク、科学者を含む国際協力によって9月中旬に完成しました。このプロジェクトは、主に理研BNL研究センター(RBRC)を通じて資金提供されており、米国および国際的な出資も追加されています。
INTTは、電離放射線検出に基づく半導体粒子検出器を形成する重なり合うシリコンストリップの4つの層で構成されます。レイヤーは、長さ10フィートのシリンダーの2つの半分に収まっています。検出器の2つの半分をテスト用にまとめ、すぐに設置することは、多くの可動部品を使用する難しい作業でした。
ブルックヘブン研究所の核物理学者であり、RBRCの上級客員科学者であり、Stony Brook大学の非常勤教授であり、INTT検出器建設の共同管理者でもあるRachid Nouicer氏は、「747 飛行機を飛ばすようなものです」と述べています。
「安全な着陸」を確実にするために、INTT の組み立てチームは、2 つの「爪」を備えた機械を使用して、技術者がデバイスの周りのネジとノブを締めている間、それぞれの半分を持ち上げてそれらを押し付けました。 シリコンストリップに亀裂が入らないように注意する必要がありました。 また、動作時に検出器がすべての粒子信号を受信できるように、重なり合うシリコン層の間に隙間がないことを確認する必要もありました。
「物理学は常に精度に向かって進んでおり、検出器の技術はそれに追いついていかなければなりません。検出器がより速く、より正確になることを望んでいます」とNouicer氏は述べています。「INTT検出器のすべてのチャンネルが機能していることを確認できたことは大きな成果です。今、私たちはそれを使って物理学をやりたいと思っています。」
Stony Brookのガス追跡検出器であるTPCの作業が進むにつれて、物理学の時期が近づいています。その検出器の構成部品の別の更新にご期待ください。
「私たちは、検出器の構成部品の構築の最終段階にいます」とO’Brienは言いました。「エラーの範囲内で完了しました。今後の課題は、あと数か月でインストールを完了することです。」
「ご覧のとおり、これらの複雑な検出器コンポーネントの構築と組み立ては、主要な国際的な取り組みです」とマサチューセッツ工科大学の物理学者であるsPHENIXの共同代弁者であるGunther Roland氏は述べています。「この作業には、世界中から非常に多くの偉大な物理学者が集まります。14か国から80の大学と研究室、400人近くの協力者が集まって、この検出器のビジョンとそれが実現する科学を実現します。」
RHICは、DOE科学局ユーザー施設です。
sPHENIXとRHICでの運用は、DOE科学局から資金提供を受けています。
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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