相对论重离子对撞机(RHIC)的第22次运行将以偏振质子的碰撞、由STAR探测器的升级组件收集的新数据以及创新加速器技术的测试为特色。

相对论重离子对撞机(RHIC)第22次运行的粒子粉碎工作已经开始。RHIC是位于美国能源部布鲁克海文国家实验室的一个周长2.4英里的粒子对撞机，作为能源部科学办公室的用户设施，为世界各地的核物理学家提供粒子对撞的数据。这次运行的项目单上有：偏振质子束之间的碰撞，其中穿插着对创新加速器技术的测试。在这次运行中，RHIC最近升级的STAR探测器将在比以往更广的角度范围内跟踪碰撞产生的粒子。

新数据将添加到早期的 RHIC 数据集中，探索可见物质的基本构建块。此外，物理研究结果、加速器测试和探测器技术将在电子离子对撞机(EIC) 中发挥重要作用，美国能源部下(DOE)一个计划中的核物理设施，它将重新使用 RHIC 的关键部件。

发现质子的普遍特性以及它们如何从夸克和胶子(质子内的构建块)的相互作用中产生，是这两个设施的核心目标。RHIC的质子-质子对撞可以揭示出前所未有的细节，并预示着某些特性如何取决于夸克和胶子的动态运动。

Elke Aschenauerenlarge的照片

领导STAR升级项目的布鲁克海文实验室物理学家Elke Aschenauer指出，新的探测器组件将如何在RHIC进行测量，推进我们对核子结构的理解，并有助于为未来电子离子对撞机的测量奠定基础。

“我们这次运行的目标基本上是用质子 - 质子碰撞进行 EIC 物理学研究，”布鲁克海文实验室物理学家 Elke-Caroline Aschenauer 说，她是 STAR 合作的成员，也参与了 EIC 的实验和科学计划的规划。“同时进行 RHIC 和 EIC 的测量很重要，因为我们必须验证在 EIC 的电子-质子碰撞和 RHIC 的质子-质子事件中测量的内容是通用的。也就是说它不取决于你用哪种探针来测量，”她解释说。

这些测量依靠的是RHIC将质子的 "旋转 "排列在一个向上的方向的能力。这种对准，或者说偏振(一种在像RHIC这样的对撞机中独一无二的能力)为科学家们提供了一个方向性的参考框架，以追踪对撞中产生的粒子如何移动。

“我们正在使用偏振作为研究质子结构的载体，尤其是 3D 结构，包括内部粒子(夸克和胶子)如何在质子内部运动，”Aschenauer 说。

运送质子束

布鲁克海文实验室对撞机-加速器部门 (C-AD) 的物理学家们在 RHIC 周围引导光束，他们决心为 STAR 提供它所需要的东西。

今年的运行协调人C-AD物理学家Vincent Schoefer说："对于第22次运行，我们将专注于尽可能的高效，并在尽可能高的偏振度下进行碰撞。”

当我们与Schoefer交谈时，他正忙着 "唤醒 "那些自第17次运行以来就没有使用过的设备--上次在RHIC进行的偏振质子碰撞。这些设备包括 "螺旋偶极子 "磁铁，当质子在RHIC的双加速器环上旋转几百万圈时，它们有助于保持质子的极化。今年的运行将在最高的碰撞能量下进行：每对碰撞的质子有5000亿电子伏特(GeV)。

Haixin Huang 和RHIC隧道的照片

C-AD 物理学家 Haixin Huang 和一些加速器组件，使 RHIC 的质子束在绕 2.4 英里周长的隧道(右)时保持对齐。

C-AD 团队还在准备“偏振仪”来测量这些质子自旋的对齐程度。

"如果不能测量，光束有多高的偏振率也不重要。因此，偏振测量法真的很关键。"Schoefer说。

C-AD 中的加速器物理学家和参与依赖偏振光束进行测量的实验物理学家合作设计了 RHIC 偏振计。

“这项工作是自 RHIC 开始以来一直在进行的小组之间合作类型的一个例子，”C-AD 物理学家 Haixin Huang 说。

提升偏振性

保持质子束紧密排列有助于保持极化。它还最大限度地提高了光束交叉时发生碰撞的可能性。但是将质子保持在一起是一个挑战。

“它们都是带正电的粒子，所以它们想要相互排斥，”Schoefer 解释说。“把它们包装得越紧，它们就越抗拒这种包装。”

在加速的早期阶段——在质子达到完全碰撞能量之前，排斥力特别强。因此，这次运行，C-AD 团队将尝试一种技术，该技术在 RHIC 加速较大粒子时有效，但之前从未用于质子。

Schoefer说："当每个质子束在助推器中仍处于低能量时，我们将把它们分成两个，并把它们作为两个独立的质子束进行加速。"这种分裂将减轻低能量期间的一些压力，然后我们可以将质子束重新合并在一起，将非常密集的质子束放入RHIC。"

期间，我们必须非常轻柔地处理质子，所以我们不会破坏我们准备好的光束。”

CA-D 团队还将非常仔细地计算粒子通过对撞机路径的轨迹。这一步应该有助于抵消加速器磁场(物理学家用来引导和聚焦光束)使质子自旋偏离理想排列的趋势。

“我们将尝试不同的轨迹，看看我们是否可以了解导致这种错位发生的原因，”Schoefer 说。

这些技术的组合现在正在提供高度偏振的质子束，以便在STAR内部进行碰撞。

STAR升级

当他们分析这些碰撞的结果时，STAR 物理学家将寻找出现在偏振质子向上指向的方向左右的某些粒子的数量差异。

例如，他们想测试是否存在与不同颜色带电粒子之间观察到的吸引相互作用相反的具有类似“颜色”电荷的粒子之间的排斥相互作用。(色荷是夸克相互作用的电荷类型。)相反的力应该对某些粒子衰变产物产生相反的方向偏好。

STAR 在 2011 年收集的数据中首次看到了这种影响的迹象，该数据于 2016年发布。对运行 17 中收集的其他数据的初步分析表明影响很小，但具有很大的不确定性。第22次运行将帮助STAR用更大的数据集减少这些不确定性。

此外，最近安装的 STAR 升级将使物理学家能够以以前无法接近的角度跟踪探测器前后的粒子。

"这是我们预计左-右方向性偏好较大的区域，"Aschenauer说。

STAR 探测器的侧视图，插图显示粒子轨迹(左)和粒子探测器在碰撞中“命中”(右)。插图的顶部显示了与旧扇区(底部)相比，新 iTPC 扇区的覆盖范围。请注意新扇区如何记录每个轨道的更多命中，尤其是靠近光束线的位置，以及更多向前和向后的角度的轨道(在插图中更多的是在左边和右边)。

这些升级包括2019年安装的内部时间投影室(iTPC)，它在圆柱形STAR探测器的内部区域放置了许多传感器，靠近碰撞的粒子。然后，今年早些时候，STAR团队在探测器的一端外安装了 "前向 "粒子跟踪组件。

为了描绘这些升级如何增加 STAR 的粒子跟踪范围，将 STAR 想象成一个侧放的桶，碰撞粒子从每一端进入。自从 RHIC于 2000 年第一次碰撞以来，STAR 一直在跟踪垂直于枪管周围碰撞粒子路径出现的粒子。STAR 粒子轨迹的经典端视图展示了这种 360 度检测能力。但是从侧面看，最初的 STAR 探测器只能跟踪在向前或向后方向上与垂直方向成 45 度角的粒子。

来自伊利诺伊大学芝加哥分校的STAR合作者Zhenyu Ye说，这些升级 "扩大了粒子可以进入并被探测到的锥度"。Zhenyu Ye与来自台南的国立成功大学和青岛的山东大学的科学家合作，领导了安装在STAR前端的新硅基粒子追踪部件的设计和建造。

这些组件使科学家能够检测出几乎与碰撞光束一致的粒子，包括揭示碰撞夸克能量、方向和自旋信息的粒子射流。

“这些信息对于绘制质子内部积木的 3D 排列至关重要，”山东大学的 Chi Yang 说。他与中国科学技术大学和布鲁克海文实验室的同事合作，为前向跟踪探测器构建了额外的子探测器系统。

"布鲁克海文实验室物理学家Prashanth Shanmuganathan说："这些升级正好覆盖了射流在EIC中会出现的角度。因此，除了增加探索彩色电荷相互作用的数据集之外，" 第22次运行将帮助我们了解探测器技术和核子结构的行为，以便我们能够将这些知识应用于EIC。"

左图：安装在 STAR 探测器一端的光束管周围的三个硅跟踪器探测器模块的一个平面。闪亮的镜面楔形排列在交替的“内部”和“外部”位置，在光束管周围形成一个环，每个扇区都连接到读出电子设备。右图：Zhenyu Ye 在插入 STAR 时间投影室 (TPC) 后检查硅跟踪器，它将在更靠近粒子碰撞点的位置运行。紫色管包裹着信号读出电缆，而透明管则将冷却液输送到检测器。

冷却质子

除了为 STAR 的第22次运行测量提供质子-质子碰撞之外，C-AD 团队还将花费相当于两周的时间来测试一种保持高能质子紧密堆积的技术。

保持粒子堆积对于最大化碰撞率和保持极化很重要。但是粒子扩散或升温是所有加速离子束的问题——从质子到铀核(在 RHIC 碰撞的最重离子)。

“这些离子束不会自然收缩;它们永远不会意外地变得更密集，”Schoefer 说。

这张 STAR 视图显示了端盖热量计电子设备(蓝色和黑色电缆)和四个新的小条薄间隙室平面(铜色，边缘为白色)。

因此，RHIC加速器的物理学家已经开发出各种成功的技术来保持离子束的 "冷却"。其中一些冷却方法涉及提供 "踢"，将粒子推到一起，而其他方法则是利用其他粒子(电子)的coo l束，从循环的离子中提取热量。

意识到不同的冷却技术对不同能量的不同类型粒子最有效，物理学家正在探索几种可能在 EIC 中使用的策略。在第22次运行中，他们将在高能偏振质子上测试一种叫做 "相干电子冷却"(CeC)的东西。

如上所述，CeC 中带负电的电子不仅在温度上被冷却，而是发挥了更积极的作用，如上所述。它们聚集在每个带正电的质子周围，形成质子束的一个 "模子"。

“这有点像当正畸医生给你的牙齿做一个模具时戴上牙套，”Schoefer 说。“我们取一个质子束模型，然后稍微调整电子束以将质子吸引到更靠近中心位置的位置。当电子移动时，它们的电引力会拖曳质子。”

在 36 小时的时间里，C-AD 物理学家将测试并尝试微调该技术。

测量离子偏振

此外，在第22次运行期间，C-AD团队将每两周停止质子加速，进行12至16小时的加速器研发实验。在其中一个项目中，他们将增加氦-3离子束，以研究测量质子以外的粒子的偏振的方法。

"在RHIC，我们唯一的偏振物种是偏振质子。但是EIC将做诸如氦-3等偏振离子的实验。那是一个完全不同的野兽，"Schoefer说。

STAR技术支持小组的Felix Archampong、Robert Soja、William Struble和Rahul Sharma在STAR电子支持小组的支持下，完成了小条状薄缝隙室的机械设计、建造和安装--这里显示的是收集数据的位置。

C-AD团队与物理系的 "冷QCD "小组成员合作，设计了测量这些更复杂离子的偏振的方法。

为了测量极化，物理学家通过光束喷射气体作为目标，并测量光束中的粒子如何散射。

“对于质子来说，这已经是一个挑战，但至少质子仍然是质子。当氦-3从一个目标上散射时，它可能分解为两个质子和一个中子，或者一个质子和一个氘核。物理系的科学家William Schmidke说："为了准确地测量偏振，我们必须确定何时发生破裂，"他一直在开发偏振检测器以进行测量。

在第22次运行期间，物理学家们将使用氦-3的非偏振光束来测试组件准确描述散射产物的能力。

布鲁克海文物理学家Oleg Eyser说："我们可以在不测量偏振的情况下进行这些测试，以发展这些方法，这样当我们最终在EIC拥有偏振光束时，我们就能够测量偏振了"，他是冷QCD团队的另一名成员。

"许多人对RHIC第22次运行所需的探测器和加速器部件做出了重要贡献。布鲁克海文核与粒子物理实验室副主任Haiyan Gao说："我们期待着令人兴奋的物理学发现机会，以及推进我们在EIC所需的技术和物理学分析方法。