Детектор sPHENIX готовится раскрыть тайны кварк-глюонной плазмы

Опираясь на наследие предшественника PHENIX, новый детектор RHIC, sPHENIX, собирается выпустить первые результаты, которые прольют новый свет на структуру кварк-глюонной плазмы.

С появлением четверть века назад релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC) область релятивистских тяжелых ионов наконец-то получила доступ к более полному набору признаков давно искомого нового состояния ядерной материи, известного как кварк-глюонная плазма (QGP).

В частности, благодаря высокой энергии центра масс коллайдера RHIC в 200 ГэВ на нуклон-нуклонное столкновение, множество зондов жесткого рассеяния, которые можно было надежно рассчитать с помощью пертурбативной квантовой хромодинамики (pQCD), могли быть применены к остаткам столкновений Au+Au в RHIC.

Среди них наиболее ожидаемыми были зонды самых высоких энергий, джеты и частицы, которые их образуют или были получены вместе с ними, например, фотоны. Струи, представляющие собой одиночные кварки или глюоны, выбитые из первоначально столкнувшихся нуклонов, «адронизируются» во множество частиц, движущихся рядом с траекторией исходной частицы. Их можно использовать для проникновения в остатки столкновений, обеспечивая как „рентгеновское излучение“, так и „пробоотборник“ распределения материи QGP.

Всего за первые пять лет работы эксперимента был получен целый ряд положительных результатов, в том числе несколько сигнатур QGP, связанных со струями, что привело к окончательному подтверждению открытия QGP в RHIC в 2005 году.

Важным фактором, способствовавшим уверенности научного сообщества в тяжелых ионах в то время и подтверждениям в последующие годы, стали конкурирующие и двойные подтверждения двух крупнейших экспериментов RHIC, STAR и PHENIX. PHENIX был разработан с двойным акцентом на жестко рассеянные, проникающие зонды: чрезвычайно высокоточный и быстрый электромагнитный калориметр и чрезвычайно высокоскоростная система считывания и сбора данных (DAQ), способная измерять и отбирать частицы конечного состояния фотонов и электронов с гораздо большей скоростью, что дополняло первоначально чувствительный фокус отслеживания только зарядовых частиц и более низкие возможности детектора STAR по скорости событий.

Благодаря использованию этих систем, особенно калориметра, на PHENIX были проведены многие ключевые измерения QGP-признаков, в том числе самые жесткие на тот момент рассеянные струйные зондирования, измеренные частицами с самым высоким на RHIC конечным состоянием pT, моментами, поперечными к начальному входящему ядерному моменту (и, следовательно, полностью полученными в результате рассеяния). Они показали ожидаемое подавление, называемое струйным тушением, из-за того, что струи ослабляются QGP и теряют значительную энергию при прохождении через него.

Однако не все в QGP и его формировании было до конца понятно. Хотя кварковые и глюонные степени свободы четко наблюдались на некоторых масштабах зондирования, оставались вопросы о том, может ли существовать дополнительная структура в ее составляющих при зондировании на всех масштабах длины и при всех температурах, при которых плазма существовала во время своей эволюции в каждом событии.

Кроме того, в начале 2010-х годов в рамках дополнительной, но еще более высокой по энергии пучка программы релятивистских тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере (БАК) измерения, связанные со струями, были выведены на новый уровень точности и сложности с использованием детекторов, которые были более оптимизированы для струйных измерений, чем эксперименты RHIC. Эти измерения намекнули на дополнительные сложности и открыли новые возможности.

Чтобы облегчить использование этих возможностей в RHIC и полностью реализовать прямое сравнение эволюций плазменных столкновений в RHIC и LHC с боковыми измерениями одних и тех же величин, измеренных одним и тем же способом, PHENIX был недавно заменен новым детектором, sPHENIX, смоделированным более непосредственно на преимуществах детектора LHC. sPHENIX получил свой первый набор физических данных в этом году и намерен пролить новый свет на физику QGP.

Сигнатуры кварк-глюонной плазмы, связанные с джетами и фотонами, ярко освещенные PHENIX EMCal

Сама кварково-глюонная природа QGP заставляет фотоны, которые образуются в ней, играть особую роль в ее изучении. Измерения этих фотонов были одними из тех, которые позволили ярко высветить очень качественный EMCal PHENIX.

Во-первых, большинство частиц, образующихся в столкновениях RHIC при распаде состояния QGP, до нескольких тысяч в одном событии, а также частицы, образующиеся в самих струях, представляют собой легчайшие кварковые связанные состояния, пионы, треть из которых являются нейтральными (так называемые π0-мезоны) и распадаются сразу на два высокоэнергетических фотона.

Субдетекторы PHENIX EMCal используют быстрые процессы детектирования, срабатывающие на временах менее наносекунды, что делает их особенно хорошими «триггерами» для выборки чрезвычайно высоких скоростей событий, чтобы отфильтровать только относительно редкие события жесткого рассеяния с большой энергией в реальном времени. Это позволило измерениям PHENIX собрать большее количество самых высоких pT. π0, что дало возможность изучить тушение струи до самых высоких энергий струи в RHIC с помощью измерений одиночных частиц.

Во-вторых, из-за высокой температуры QGP, буквально самого горячего вещества из всех известных во Вселенной при температуре около 4 триллионов Кельвинов, излучается большое количество тепловых фотонов, подобных «черному телу», и PHENIX первым использовал их для измерения этой температуры с помощью EMCal.

Наконец, чтобы получить еще больше информации о модификации струй под действием QGP, дополнительный «золотой канал» для изучения струй также хорошо подошел для ЭМ-калориметрии PHENIX. Чаще всего струи образуются парами („ди-струи“), при этом каждый член пары имеет одинаковый pT, но после того, как обе струи потенциально проходят QGP, обе они могут быть изменены, что приводит к неопределенности в отношении первоначальных энергий обеих струй.

Изучая струи, полученные в результате конкурирующего процесса, в котором одна из струй заменяется одним «прямым» фотоном, также известным как „быстрый“ фотон, можно избежать этой неопределенности, поскольку фотон электрически нейтрален и не чувствителен к цветовому заряду КХД, он не модифицирован и позволяет калибровать полученную с его помощью струю. PHENIX был первым, кто подтвердил, что сечение быстрого фотона действительно не подавлено, как у струй, что в то же время подтвердило всю „глауберовскую“ теоретическую базу, используемую для предсказания скоростей до QGP всех зондов жесткого рассеяния, включая сами сечения струй, что сделало интерпретацию подавления струй однозначной.

В более поздних наборах данных PHENIX также выполнил многие ключевые измерения этого канала через корреляции адронов, произведенных струями фотонных струй, используя метод двухчастичной корреляции (2PC), в том числе, например, показал, что потерянная энергия связанных струй вновь появляется в виде множества более низкоэнергетических адронов, произведенных очень близко, но в области вокруг струи.

Эра БАК открыла новые возможности и точность в физике струй и фотонов

Первые результаты программы по тяжелым ионам на БАК (LHC HI) в начале второго десятилетия работы RHIC уже показали, какую разницу могут внести новые детекторы БАК с большей чувствительной областью. Два из них, ATLAS и CMS, были разработаны в первую очередь для более точных измерений струй в физике высоких энергий (HEP) при гораздо более высоких энергиях струй, чем те, которые доступны в RHIC.

Кроме того, при этих энергиях руководство теорией pQCD становится еще более надежным, что приводит к революции в наблюдательных параметрах, связанных со струями. Основным направлением измерений струй HI на БАК было использование методов полной реконструкции струй из их многочастичных составляющих — метод, впервые опробованный в RHIC на STAR незадолго до начала эры БАК, но оказавшийся сложным для STAR и PHENIX в значительной степени из-за нечувствительности детекторов.

Кроме того, начали возникать упомянутые выше вопросы о структуре плазмы, в том числе о том, какие именно составные степени свободы имеют значение при различных разрешениях рассеяния и во время формирования QGP в каждом событии. Данные БАК и соответствующая теория открыли много нового, например, что естественные флуктуации, не связанные с QGP, в структуре самих струй могут по-разному влиять на потерю энергии.

В то же время, в течение последней половины срока службы RHIC, постоянное улучшение характеристик и светимости его собственного ускорителя привело к тому, что RHIC наконец-то смог достичь сопоставимой статистики в области очень высоких энергий (и экспоненциально более редких) струй на нижнем конце зоны действия БАК и, таким образом, хорошо перекрыть измерения тех же струй кинематически, что и БАК.

Это создает предпосылки для прямого сравнения наборов данных БАК и будущего RHIC в тех же энергетических наблюдениях. Такие сравнения были бы особенно плодотворны, поскольку различные энергии столкновений вызывают различные временные и температурные эволюции для RHIC и LHC по созданию плазмы в каждом событии.

Для этого необходим усовершенствованный детектор, который мог бы функционировать более похоже на детекторы БАК, чтобы сделать возможным такое прямое сравнение. Учитывая эту возможность, в 2016 году PHENIX прекратил прием данных, чтобы в его детекторном зале мог разместиться новый детектор sPHENIX, строительство и установка которого длились примерно с 2018 по 2023 год.

sPHENIX: новый детектор в RHIC, оптимизированный для измерений струй и фотонов

С самого начала проектирования sPHENIX был оптимизирован для струйных измерений. Ключевой частью обеспечения этой оптимизации в соответствии с традициями PHENIX была разработка sPHENIX для превосходной и расширенной калориметрии. Построенный на основе переработанного цилиндрического соленоидного магнита, ранее использовавшегося в эксперименте BaBar в SLAC, который был способен создавать более сильные магнитные поля, sPHENIX EMCal был построен чрезвычайно компактно с цилиндрическим радиусом всего в один метр (по сравнению с 5 м для sPHENIX) от точки столкновения с пучком. Это позволяет поместить EMCal внутрь магнита, чтобы значительно увеличить чувствительную угловую зону приема, сохраняя при этом высокую точность при минимальном количестве материалов, вызывающих шум перед ним.

EMCal также был изготовлен с тонко сегментированными субблоками, разработанными с уникальной проекционной геометрией, которая делает их чувствительность чрезвычайно постоянной по всему детектору. Эта особенность очень важна для полной реконструкции всех дочерних частиц каждой струи, которая, как правило, охватывает множество отдельных элементов субдетектора, поскольку это уменьшает возможность ошибочной интерпретации простых неоднородностей детектора, принимаемых за ожидаемые QGP-индуцированные модификации только определенных частей элементов одной струи.

Сохранение отличной ЭМКАЛ в новом детекторе sPHENIX также особенно важно для цели sPHENIX по проведению сопоставимых измерений с БАК, поскольку дополнительное преимущество расширенного высокоэнергетического охвата в RHIC в золотых фотонных струях обусловлено совпадением в энергетической зависимости сечений производства быстрых фотонов, фоны для золотых фотонно-струйных событий в RHIC намного меньше, чем на БАК, и еще больше увеличивают преимущества проведения сравнений LHC-RHIC в этом важном канале.

В дополнение к мощному ЭМкалу, который может значительно улучшить измерения, связанные с фотонами, еще одной новой особенностью sPHENIX, никогда ранее не использовавшейся в RHIC, является другая высококачественная система калориметрии — полный набор адронных калориметров. Адронная калориметрия является важной частью высококачественных измерений струи БАК, проводимых ATLAS и CMS, поскольку она улавливает значительную часть адронов, составляющих струю, которые являются нейтральными, но не распадаются на фотоны и не могут быть обнаружены; ни электромагнитная калориметрия, ни отслеживание заряженных частиц, которые ранее были единственными вариантами, используемыми как PHENIX, так и STAR.

Благодаря этим дополнительным возможностям, а также набору высокоточных детекторов для отслеживания заряженных частиц, включая инновационную компактную камеру временной проекции (TPC), оптимизация sPHENIX будет завершена.

Весной 2023 года установка sPHENIX была завершена, и для ввода sPHENIX в эксплуатацию и калибровки всех его подсистем был проведен специальный пусконаладочный цикл на RHIC. Ввод детектора в эксплуатацию был завершен в течение последующего года, когда были получены первые данные физического качества с полностью функционирующим детектором, а первоначальные калибровки были завершены летом 2024 года.

Последовавшая за этим работа RHIC в 2024 году была в основном сосредоточена на большом наборе данных p+p при энергии центра масс 200 ГэВ, который будет использоваться в основном в качестве контрольного набора данных для более длинного набора данных Au+Au при этой энергии, запланированного на 2025 год. Коллайдер RHIC, как и ожидалось, показал высокие результаты, а sPHENIX зарегистрировал очень большой набор данных p+p, отобрав в два раза больше событий p+p, чем изначально планировалось для получения окончательных результатов.

Кроме того, первый набор данных Au+Au физического качества с общей зарегистрированной статистикой для физики жесткого рассеяния сопоставим с большинством предыдущих наборов данных PHENIX. В настоящее время проводится первый анализ этих данных, и планируется, что первые официальные результаты будут опубликованы на конференции Quark Matter 2025 в апреле 2025 года. Это должно быть первое знакомство с тем, что будет интересным в ближайшие несколько лет, пока SPHENIX реализует свою физическую миссию — пролить новый свет на QGP путем прямого сравнения со струйными и фотонными измерениями БАК. Это будет предпоследней реализацией наследия RHIC, которое заключается в добавлении жесткого рассеяния струй и фотонов во всемирный поиск понимания и описания QGP.

Ранее ученые предложили модель, улучшающую калибровку светимости БАК.

04.01.2025