原文筆者：Kelly Zegers
いくつかの機関で構築された検出器の構成要素は、粒子の運動量をトラッキングします。
TPCは、sPHENIX の巨大な円筒形超伝導磁石の内部に慎重に設置されているいくつかの検出器の構成要素の1つです。
米国エネルギー省のブルックヘブン国立研究所で最先端の粒子検出器であるsPHENIXを組み立てる専門家は、1月19日に主要な飛跡検出器の設置に成功しました。 この春、sPHENIX がRelativistic Heavy Ion Collider (RHIC) で粒子衝突のトラッキングを開始する前に、適切な場所に移動します。
TPCはガスで満たされた検出器であり、検出器の強力な磁場と組み合わせることで、核物理学者は RHICで起こった衝突から流れる荷電粒子の運動量を測定できます。 これは、核物理学者がクォーク・グルーオン・プラズマ (QGP) に関するより多くの情報を収集するために使用する多くの検出器構成要素の1つです（QGP:物質の基本的な構成要素であるクォークとグルーオンで構成された原始的なスープ状の物質状態）。
「QGPは約140億年前、ビッグバンから約100万分の1秒後の宇宙の夜明けに存在していました」と、Stony Brook大学 (SBU) の物理学者であり、RHIC 研究の共同研究者である Thomas Hemmick は述べています。QGPを通過する粒子のスナップショットを捉えるsPHENIX の機能は、科学者がクォークとグルオンがどのように冷却および合体して陽子と中性子を形成するかを理解するのに役立ちます。陽子と中性子は、今日の宇宙で目に見えるすべての物質の原子核を構成しています。」
TPCは、sPHENIX 実験の中心にある 20 トンの円筒形の超伝導磁石の内部に重ねられたいくつかの飛跡検出器の1つです。その優れた運動量分解能は、QGPと相互作用するときに、ウプシロン(重いクォークと反クォークのペアでできている)と呼ばれる粒子の3つの状態間の小さな違いを捉える鍵となります。各ウプシロンの種類の質量を区別する sPHENIXの能力は、物理学者が1兆度の原始的なQGP から通常の核物質への移行を位置付けるのに役立ちます。
sPHENIX のクルーは、TPCを慎重に持ち上げるように装備し、家くらいの大きさの検出器内に細心の注意を払って所定の位置に移動しました。その他の作業中の写真はこちら。
ウプシロンを検出するために、sPHENIXは各ウプシロンが崩壊した荷電粒子の飛跡を測定します。 各荷電粒子がTPCのガスの層を通過するとき、ガス原子から電子をノックオフすることによってイオン化の痕跡が残ります (1 cm あたり約 100 個の自由電子)。
わずか100個の電子を検出するのは困難ですが、TPCは複数の層のガス電子増倍管(GEM) ホイルで構成されています、とHemmick氏は述べました。
「各GEMホイルは、人間の髪の毛の直径よりも小さい小さな穴に電子を注ぎ込み、そこで電子の“なだれ“が検出可能な大きな信号を生成します」とHemmick氏は説明しました。
結果として得られる読み取り値は、50 nsごとに生成される映画のフレームのように、粒子がTPCのボリューム全体(長さ約2メートルの中空シリンダー) 内にある場所を物理学者に示します。 これらの粒子の飛跡は、sPHENIXの磁石によって作成された磁場内で湾曲し、“親”のウプシロンに関する手がかりが明らかになります。これらの精密なウプシロン測定は、sPHENIXがQGPの特性を研究する多くの方法の1つになります。
SBU、Weizmann科学研究所、Wayne州立大学、Vanderbilt大学、Temple大学のチームは、SBUで完全に組み立てられる前にTPCのさまざまな部分を構築してテストし、その後、さらなるテストと設置のためにブルックヘブン研究所に送りました。 SBUでは、高校生から博士までの学生が活躍しており、志願者はデバイスの構造に関与していたとHemmick氏は言いました。
「何世代にもわたる若い学生たちの真の産物です」とHemmick氏は言います。「彼らを案内できて光栄でした。」
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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