原文筆者：Karen McNulty Walsh
新しいsPHENIX検出器とSTARの様々なアップグレードされたコンポーネントは、初めて全エネルギー重イオン衝突を観測する。
STARとsPHENIX検出器の位置を示す、ブルックヘブン国立研究所にある1周2.4マイルの相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）の航空写真。Run23はsPHENIXにとっては初回、STARにとっては23回目となる。
相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）での今年の物理学実験の開始は、新しい時代の幕開けでもある。RHICが2000年に米国エネルギー省のブルックヘブン国立研究所で運転を開始して以来初めて、まったく新しい検出器が、金原子の原子核がほぼ光速で互いにぶつかり合うときに何が起こるかを追跡する。その新しい検出器sPHENIXは、10年の歳月をかけて開発された。sPHENIXは、RHICでこれまで不可能だった精密測定を行うための多くのコンポーネントを備えている。
RHICのSTAR検出器は2000年以来稼働し、進化を続けているが、Run 23では初めての試みがいくつか行われる。最近アップグレードされたコンポーネントにより、衝突点により近く、より広い角度で、衝突から流れ出る粒子をこれまで以上に「見る」ことができるようになった。低エネルギー衝突で成功したこの一連のコンポーネントは、今回初めて全エネルギー衝突からのデータを収集する。さらに、STARの物理学者たちは、1秒間に最大5,000回の衝突事象を捕らえることができる検出器の能力を発揮することを楽しみにしている。
ブルックヘブン研究所物理学部の原子核物理学担当副部長であるJamie Dunlop氏は、RHICの今年の計画についてサイエンティフィック・アメリカン誌に最近掲載された記事を挙げながら、「この物理学プログラムには非常に豊かな内容があり、世界的にも、またメディアにおいても大きな関心が寄せられています」と語った。
その理由のひとつは？RHICの研究は、星、惑星、そしてあなたや私まで、今日宇宙で目に見えるものすべてを構成している物質を掘り下げている。RHICの科学者たちは、粒子衝突を利用して、時間の針を効果的に戻すことによって、その物質を研究している。
原子核を非常に高いエネルギーで衝突させると、陽子と中性子の境界が溶け、それらの粒子の最も内側の構成要素であるクォークとグルーオンが自由になる。このような "自由な "クォークとグルーオンのシステムは、クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）として知られており、約140億年前、宇宙誕生から100万分の1秒後、陽子と中性子が形成される前に自然界に存在していた。STARやsPHENIXのような検出器を使ってこの物質を研究することは、物質がなぜそのような振る舞いをするのかを解明する手がかりとなる。
sPHENIXの共同スポークス・パーソンであるDavid Morrison（前列、オレンジ色のハードハット）と、sPHENIX電磁熱量計の最終セクターを設置するチームの一部; (前列左から右へ）Jim Mills、C-AD技術者;Jeff Hoogsteden, Aaron Allen,Shana Prifte-全員物理学科技術者:（(後列上段）Chris Cordovano、物理科学技術者;Damon Miraglia、C-AD技術者;Sean Stoll、物理学者; Mike Lenz、物理学科技術者;（後列下段）James Sadloski、施設・運営重機オペレーター。
＜なぜ新しい検出器なのか？＞
「RHICの背後にある最初の考えは、QGPは存在するのかということだった。」 ブルックヘブン研究所の物理学者でsPHENIXの共同スポークス・パーソンであるDave Morrisonは言う。 「RHICと大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の重イオンプログラムの大部分は、QGPがどのような振る舞いをするのか、どのような性質を持っているのかを探ることでした。」
sPHENIXのもうひとりの共同提案者であるマサチューセッツ工科大学（MIT）の物理学者Gunther Rolandは、「私たちは過去15年ほどの間に、これらの疑問に対する答えを得ました。私たちは今、クォークとグルーオンの基本的な相互作用からこれらの性質がどのように生まれるのかを理解するために、新しい問題に取り組みたいと考えています。その答えは誰にもわからない。その答えを得るためには、新しい実験が必要なのです」。
sPHENIX検出器の科学目標は、この分野における米国の研究を導くロードマップである2015年核科学長期計画で強調されている。sPHENIX検出器は、ジェット（衝突で生成される粒子のコリメートされた集合体）と、ウプシロンとして知られるクォーク反クォーク粒子群に関する非常に具体的な疑問に答えるために必要なデータを収集する精密なコンポーネントを備えている。
RHICの衝突で生成された物質とさまざまなウプシロンの相互作用の仕方を研究することは、「QGPの中に巻き尺を入れて、クォークとグルーオンに影響を与える力が働く距離について何かを測定するようなものだ」とモリソンは言う。 また、ジェットを構成する粒子がプラズマを横切る角度や、粒子が持つエネルギーや運動量を追跡することで、「QGPがクォークとグルーオンの相互作用にどのような影響を与えるかについて、さまざまな知見を得ることができる」。
しかし、科学者たちは精密な測定を行う前に、過去7年半かけて作り上げた検出器が正しく動作することを確認しなければならない。
＜sPHENIXの試運転＞
「sPHENIXは、多くの異なるシステムを持つ非常に複雑な検出器であり、すべてを試運転する広範なプロセスが、2023年の運用の最優先事項になります」とモリソンは言う。
「何百人もの人々が長年にわたってsPHENIXに取り組んでおり、多くの興奮がある」とRolandは付け加えた。「しかし、細心の注意を払い、システマチックに進める必要がある」。
ひとつは、RHICは重イオン衝突のための最高のエネルギー（衝突する原子核のペアあたり2000億電子ボルト（GeV））で運転される一方で、少なくとも最初の数週間は、そのルミノシティ（衝突の割合）は意図的に低く保たれる。
「トリガー（衝突の有無を知らせる）となる最も単純な検出器から、高エネルギー核物理学で採用されたことのある最も複雑な検出器まで、それぞれの検出器システムの動作を系統的に検証する。」とRolandは言う。
sPHENIXのクルーは、組織的なトラブルシューティングの期間を計画している。
「このような唯一無二の検出器、あるいは唯一無二の装置のコレクションを初めて依頼する際には、常に小さな謎が浮かび上がり、それを解決する必要がある」とRolandは指摘する。
すでに答えがわかっているいくつかの測定を行い、すべての検出器コンポーネントが衝突の詳細をとらえるために連携していることを確認するために必要な調整を行う。全ルミノシティで何が起こるかを考えれば、衝突が少ないほどこのプロセスがはるかに簡単である理由は明らかだ。
「完全光度では100ナノ秒ごとに衝突が起こります。つまり、かなりの数の衝突が起こり、そのたびに検出器の『タイムプロジェクト・チェンバー』（TPC）に飛跡がつくのです」とMorrisonは言う。これらの飛跡を構成するすべての電子は、互いに重なり、干渉し合う可能性がある。
相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）のラン23で最初の衝突を見る予定のsPHENIX検出器のタイムプロジェクト・チェンバーの端面。このランの最優先課題は、sPHENIXのすべての複雑なコンポーネントを試運転することである。
TPCの内部には複雑なレーザーシステムもあり、科学者たちが衝突によって放出される粒子から生成される電子の飛跡と比較するために使用する既知の電子の飛跡を生成する。
「内部はレーザーが縦横無尽に飛び交うディスコのような状態になるでしょう」とMorrisonは言う。「私たちは、レーザーがどのように機能するのか、TPCがどのように機能するのか、そして1秒間に衝突する回数がそれほど多くない場合の他のすべてのコンポーネントを、全ルミノシティまで増強する前に確実に理解する必要がある。」
＜STARでの 「ソフトな」探検＞
一方、走り始めの衝突率が低くても、STARは高い衝突エネルギーを利用する。
STARの共同提案者であるブルックヘブンの物理学者Lijuan Ruan氏は話す、「RHICでの最後の200GeV金-金の測定は2016年でした。」 それ以来、当時必要だった測定には最適だったが、他の測定の分解能を低下させていた検出器のコンポーネントのひとつが取り除かれ、今回の測定では分解能の向上が期待できる、と彼女は説明する。さらに、STARコンポーネントのアップグレードにより、衝突点に最も近い粒子を追跡する能力が向上し、検出器の一端で「前方」方向にこれまでで最も広い角度で粒子を追跡できるようになった。
「ラン23は、これらの検出器のアップグレードのすべてが、RHICの最高衝突エネルギーでの相互作用から出現する粒子を見る初めての機会です」とルアンは言う。
今回の運転と、2025年に予定されている200GeVの金イオンを衝突させる運転では、STARチームは、これらの装置とSTARの他の機能を使い、エネルギーや横運動量が非常に小さい粒子に関する高統計データを収集する。例えば、これらのいわゆる「ソフトな観測値」の測定を順方向領域に拡張することで、QGPの大域的な特性を明らかにすることができる。 例えば、粒子がプラズマ中をどのようにまとまって流れるか、粘性などの変数の温度依存性、クォークやグルーオン間の相互作用の変化が、流れ出る粒子のスピンの配列にどの程度影響するかなどである。
相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）のSTAR検出器の一端にあるビームパイプの周囲に設置されたシリコントラッカー検出器モジュールは、最近アップグレードされたSTARコンポーネントのひとつに過ぎず、Run 23の間に初めて全エネルギーの金-金衝突を見ることになる。
「以前は、一度に1つまたは別の観測値を見て、その測定値をモデルからの予測と比較して結論を出していました」とルアンは言う。「しかし今、新しい検出器の能力と高い統計量によって、私たちは複数の観測値、つまりマルチメッセンジャーアプローチを使って、それらを全体的に調べる精密な時代に突入している。これは、重イオン衝突の進化とQGPの特性に関する我々の理解に役立つだろう」。
高い統計値を得るために、STARはTPCの読み出し速度を2倍以上にする最近のアップグレードも利用する。これまでは1秒間に最大2000件の衝突を記録することができたが、STAR TPCは瞬きする間もなく最大5000件の衝突を記録できるようになった。
STARの物理学者たちは、比較的低いルミノシティからスタートするため、この夏の終わりまで検出器を最大レベルまで引き上げることができないかもしれない。しかし、彼らはsPHENIXがスピードアップするために必要な条件を提供する必要性を理解している。
「彼らの検出器のコミッショニングは、このランにとって最も重要なことである。我々はデータを収集しますが、sPHENIXがこのランを推進することになります」と、STARの共同スポークス・パーソンとしての6年間の任期を最近終えたエール大学の物理学者ヘレン・ケインズは語った。
衝突率が上がれば、STARは準備が整う。
「現時点でSTARにある検出器の中で、最も粒子受容性が高く、最も高率の検出器があるので、これまでで最も優れた、最も包括的な検出器群でデータを収集するつもりです」とカインズは語った。「これは、将来にわたって長い間分析できるデータセットになるだろう」。
＜ルミノシティをもたらす＞
また、sPHENIXの共同研究チームは、この物理学的な疑問に答えるために設計された観測を開始するため、全ルミノシティを達成することを熱望している。
sPHENIXの共同スポークス・パーソンであるモリソン氏は、「我々の計画では、検出器のコミッショニング後に、数週間の物理学データ取得を予定している。」「sPHENIXがそのデータでできる物理学は山ほどある。」
新検出器のミッションは、ハード・プローブ、つまり高エネルギーの粒子ジェットや重いクォークから作られる粒子に焦点を当てる。
「我々はRHICで初めて、非常に重いボトムクォークの分裂から生じるジェットを、素晴らしい統計的精度で見ることができる。これらの測定は、衝突の際にジェットのペアに何が起こるか、例えば、出てくる粒子の残りの部分に対して異なる向きで生成されたものなどを調べることができます」とモリソンは言う。「クォークとグルーオンの本当に微視的な相互作用が、完璧な流動性のようなQGPの特性をどのように生み出しているのかを知るのに役立つ。」
「それぞれボトムクォークと反ボトムクォークが結合したものだが、結合エネルギーが異なるウプシロン中間子ファミリーの3つの異なるメンバーに何が起こるかを見ることから始める」と彼は指摘した。これらの測定によって、科学者たちはクォークとグルーオンの間の強い力の相互作用の長さのスケールや、QGPの温度に関する情報を得ることができる。
sPHENIXのポイントは、これらのハードプローブと、QGPがハドロン（クォークと反クォークからなる複合粒子）に戻った後のQGPの大部分を占めるソフト粒子との相関関係から、衝突の全体像を把握することです」とMITのローランドは言う。
これらの測定の一部は、2025年の運転で収集される追加の金-金衝突データと、2024年の陽子-陽子衝突データに依存する。
「完全な物理プログラムは、sPHENIXプログラムを完成させるための統計的な到達点を与えるために、RHICの残りの運転で可能な限り多くのデータを収集する必要があります。」とローランドは言う。
相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）ラン23のランコーディネーター、トラヴィス・シュレイ。ブルックヘブン国立研究所の衝突型加速器部メインコントロールルームにて。
＜衝突の生成＞
RHICの実験は、各検出器内で指定されたエネルギーと速度で粒子ビームを供給する加速器物理学者の能力に依存している。ラン23コーディネーターのトラビス・シュレイの指導の下、このDOE科学省のユーザー施設のコライダー加速器部（C-AD）スタッフは、彼らの強みとマシンの多様性を実証する。
前述のように、この実験は金イオン（電子を取り除いた金原子の原子核）のビームがRHICの2つの対向循環リングに低強度で入射するところから始まる。しかし、それぞれのビームは、2つのリングが交差する相互作用領域にあるsPHENIX検出器とSTAR検出器の内部で、全エネルギーで衝突するように加速される。
RHICは従来、反対方向に進む2本のビームが検出器内を互いにまっすぐ通過するように運転されてきた。このため、対向するビームの粒子同士が、衝突するバンチの全長にわたって衝突することになる。しかし今回の運転では、粒子は別の経路を通り、互いに斜めに交差する。
「この交差角度は、sPHENIX検出器の性能を特に向上させる、より狭い衝突ゾーンを作り出します」とC-AD委員長のウォルフラム・フィッシャーは語った。
sPHENIXのコミッショニング期間中、加速器物理学者は、STARの衝突速度をゆっくりだが一定に保つために、ビームのサイズと位置をモニターするさまざまなツールと、それらのビーム特性を制御する技術を使用する。
新たに再稼働した「ストキャスティック冷却」システムと改修された超伝導高周波空洞（RF）を活用し、衝突率が上昇するにつれてビームのモニタリングと最適化が継続される。
ストキャスティック冷却システムのセンサーは、粒子の束の中の粒子の位置の小さなランダムな揺らぎを測定し、粒子を互いに押し戻す "キッカー "空洞に信号を送ります。C-ADの加速器部門の責任者であるMichiko Minty氏は、「これらのナッジは、より高密度のバンチをもたらす」と説明した。「同様に、56メガヘルツRF空洞は、他のRF空洞とともに、ビーム内散乱によってバンチが長くなるのを防ぎます」。
このようにイオンの束を絞って短くすることで、イオンが衝突する可能性が高まります。また、sPHENIX検出器内の短いビームクロスオーバー領域を維持するのにも役立ちます。
「電子ビームイオン源（EBIS）の最近のアップグレードのおかげで、より高いビーム強度も利用できるようになります」とミンティは言う。EBISはRHICの重イオンビームを生成し、加速器チェーンに入射させ、ビームをコライダーに送り込む装置である。「今年は、これまでのどの運転よりも最大40％多い金ビームを使って運転します」と彼女は言った。
相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）の新しい拡張電子ビームイオン源（EBIS）は、従来のものよりも強度が増し、これまでのどの運転よりも最大40％多い金ビームを衝突型加速器に供給する。
実験に金を供給することに加えて、C-ADのスタッフは、RHICのビームが定期的に廃棄される際に検出器を保護するための新しいシステムを導入する予定である。彼らはまた、RHICの加速器コンポーネントの多くが電子イオン衝突型加速器（EIC）に変更される際に、ブルックヘブンでのポストRHIC C-AD運転で役割を果たす、追加のビーム冷却システムと加速スキームのテストも実施する。
「sPHENIXとSTARが目標を達成できるよう、また、世界で最も多目的な粒子加速器とコライダーの複合体を、現在も将来も最大限に活用できるあらゆる方法を探るため、この実験の1秒1秒を大切に使うつもりです」とフィッシャーは語った。
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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