Физики-ядерщики, проводящие исследования в RHIC, теперь имеют возможность обнаруживать эти редкие, неуловимые частицы с помощью трекера тяжелого вкуса (HFT), нового компонента, недавно установленного в рамках эксперимента STAR. Это устройство поможет точно измерить свойства плазмы, в том числе ее способность течь как почти идеальная жидкость, и может дать представление о том, как определенные частицы теряют энергию при прохождении через плазму.
Частицы, состоящие из кварков, которые тяжелее «верхних» и «нижних» кварков, составляющих обычные атомные ядра, могут помочь выявить тонкие детали об изначальном супе, состоящем из строительных блоков материи, известном как кварк-глюонная плазма. Этот горячий кварковый суп, существовавший на заре Вселенной, воссоздается тысячи раз в секунду, когда обычные ядра сталкиваются друг с другом в энергетических столкновениях на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), коллайдере частиц в Брукхейвенской национальной лаборатории.
Но частицы, содержащие тяжелые кварки, получившие причудливые названия, такие как «очарование» и «красота», образуются редко и мгновенно исчезают. Физики-ядерщики, проводящие исследования в RHIC, теперь имеют возможность обнаруживать эти редкие, неуловимые частицы с помощью трекера тяжелого вкуса (HFT), нового компонента, недавно установленного в рамках эксперимента STAR. Это устройство поможет точно измерить свойства плазмы, в том числе ее способность течь как почти идеальная жидкость, и может дать представление о том, как определенные частицы теряют энергию при прохождении через плазму.STAR Heavy Flavor Tracker (HFT) обеспечит точные измерения скорости образования частиц, содержащих различные комбинации тяжелых кварков, некоторые из которых тяжелее других.
Измерение того, как тяжелые частицы взаимодействуют с кварк-глюонной плазмой, даст физикам более глубокое понимание способности плазмы течь с чрезвычайно низкой вязкостью или сопротивлением — почти как бросание гальки разного размера в поток, чтобы увидеть, насколько быстро он течет. Эти измерения могут также помочь объяснить механизм, с помощью которого даже частицы с большим импульсом, по-видимому, теряют энергию в плазме. Различное содержание и масса тяжелых кварков могут помочь различить, как материя взаимодействует с кварками, и дать представление о термализации — о том, как материя, созданная в столкновениях RHIC, приближается к тепловому равновесию.
Эти измерения приведут к лучшему пониманию свойств кварк-глюонной плазмы и будут стимулировать новые теоретические исследования.Энергия, выделяемая, когда RHIC сталкивается с ионами золота почти со скоростью света, создает тысячи новых частиц, включая некоторые редкие комбинации различных типов тяжелых кварков.
Эти тяжелые частицы распадаются за время, необходимое им для прохождения около 100 микрон, то есть примерно с волос. HFT, теперь вставленный в ядро эксперимента STAR, был разработан для идентификации этих мимолетных тяжелых частиц с помощью четырехслойного кремниевого детектора.
Первые два слоя представляют собой современные пиксельные детекторы (PXL), в каждом из которых используются кремниевые пиксели размером 20 на 20 микрометров, установленные на очень легких структурах. Детектор PXL — первый на коллайдере, использующий новую концепцию детектора под названием Монолитные активные пиксельные датчики (MAPS). Датчики MAPS тонкие до 50 микрометров и размещены очень близко к линии луча, в которой происходят столкновения частиц, чтобы они могли отслеживать неуловимые тяжелые частицы сразу после их распада.
Детектор PXL может быть полностью убран и, при необходимости, заменен запасным в течение 24 часов. Как высокое разрешение, так и малая масса детектора представляют собой прорыв в пиксельной технологии. Две дополнительные кремниевые детекторные системы используются для повышения эффективности HFT. Единственный цилиндрический слой детекторов с кремниевой подушечкой (IST) окружает PXL.
Самый внешний слой обнаружения состоит из двусторонних кремниевых полосовых детекторов (SSD).Детектор PXL был разработан и построен в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL) с использованием новых датчиков MAPS, которые были разработаны в Институте многодисциплинарного исследования Hubert CURIEN (IPHC, Страсбург, Франция).
IST был разработан и построен в Массачусетском технологическом институте, Университете Иллинойса в Чикаго и Университете Индианы; в то время как считывающая электроника SSD была построена в LBNL и спроектирована в сотрудничестве между LBNL и Subatech (Нант, Франция). Полная интеграция детектора была выполнена BNL и LBNL; а управление проектом осуществляла BNL при поддержке LBNL.
Детектор HFT, установленный на детекторе STAR к запуску RHIC в 2014 году, на сегодняшний день зарегистрировал 1,2 миллиарда событий столкновения золота с золотом, что соответствует всем ожиданиям по своим характеристикам на сегодняшний день. Коллаборация STAR начала анализ этого обилия новых данных и надеется включить их в более глубокое понимание кварк-глюонной плазмы, созданной в RHIC.
The Heavy Flavor Tracker — это проект MIE, поддерживаемый Управлением ядерной физики, который был начат в 2010 году. Следующие учреждения STAR участвуют в этой работе: BNL, Чешский технический университет и NPI в Праге, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Циклотронный комплекс Университета Индианы, IPHC в Страсбурге, Массачусетский технологический институт, LBNL, Университет Пердью, SUBATECH Nantes, UIC и UT Austin.