Wenn man den Eindruck hat, dass es diesen Winter kalt draußen ist, dann ist das nichts im Vergleich zu der Tiefsttemperaturumgebung am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Der “Atomzertrümmerer” steht am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums. Teilchenphysiker des Brookhaven National Laboratory (BNL) haben begonnen, flüssiges Helium in die 1.740 supraleitenden Magnete des RHIC zu pumpen, um sie fast bis auf den absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius – die tiefstmögliche Temperatur) abzukühlen und für den nächsten Betriebslauf des Kollidierers vorzubereiten.
Nachdem die extrem tiefe Temperatur erst einmal erreicht ist, wodurch die Magnete ohne Energieverlust arbeiten, werden die Physiker anfangen, Strahlen aus Goldionen einzubringen und sie mit annähernd Lichtgeschwindigkeit frontal kollidieren zu lassen. Diese Kollisionen erzeugen Temperaturen am anderen Ende der Temperaturskala – vier Billionen Grad Celsius oder 250.000 Mal heißer als das Zentrum der Sonne. Sie erschaffen ein “perfekt flüssiges” Quark-Gluonen-Plasma, eine Nachbildung des Zustands unseres Universums einen Moment nach dem Urknall. Während dieses Versuchslaufs, dem 14. an dieser Kernphysikeinrichtung, werden Forscher detaillierte Untersuchungen der Eigenschaften des primordialen Plasmas durchführen und einige fehlende Datenpunkte hinzufügen, um seinen Übergang in die Materie zu verfolgen, die wir heute im Universum beobachten.
“Dieser Lauf wird die die fertiggestellten Beschleuniger- und Detektor-Upgrades umfassen, aus denen das RHIC-II-Programm besteht. Eine deutliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit, die zu einem Bruchteil der Kosten und ein halbes Jahrzehnt früher erreicht wurde als ursprünglich vorgesehen”, sagte Berndt Mueller, der Associate Laboratory Director für Kern- und Teilchenphysik am Brookhaven National Laboratory. “Es ist besonders unerwartet, dass wir gute Nachrichten hinsichtlich der Finanzierung erhielten, was uns ermöglichen wird, diese verbesserten Fähigkeiten während 22 Wochen Gesamtlaufzeit auszunutzen.”
Wolfram Fischer zufolge werde der RHIC bei seinem diesjährigen Lauf eine “integrierte Luminosität von bis zu 15 inversen Nanobarn liefern”, das ist ein Maß für die Anzahl der Kollisionen. Fischer ist der Associate Chair for Accelerators am Collider-Accelerator Department des BNL. Man vergleiche das mit den 15 inversen Nanobarn, die bisher im Rahmen sämtlicher Schwerionen-Kollisionen seit Beginn der Operationen im Jahr 2000 am RHIC erzielt wurden und man könne sehen, warum “dieser Betriebslauf so gut werden wird wie alle vorherigen zusammen”, sagte Fischer.
Verbesserungen am Beschleuniger
Ein Hauptgrund für die erhöhte Kollisionsrate ist eine Reihe innovativer Technologien, die von Teilchenphysikern in den vergangenen paar Jahren installiert wurden, um die Ionenstrahlen zu bündeln, zu “kühlen” und zu “anzustoßen”, damit die Teilchen eng gebündelt gehalten werden. Eng gebündelte Teilchen kollidieren öfter, wenn sich die Strahlen an den Interaktionspunkten des RHIC kreuzen.
Eine solche Technik – stochastische Kühlung genannt – verwendet elektronische “Aufnehmer”, die um den RHIC-Ring herum platziert sind, um winzige Zufallsfluktuationen in den Positionen der Teilchen zu messen, wenn sich der Strahl aufheizt und ausbreitet. Diese Geräte senden die Informationen durch den Kreisbeschleuniger an einen Ort vor den fast lichtschnellen Teilchen, wo elektrische Felder die geladenen Teilchen zurück an ihren Platz “stoßen”. Der Betriebslauf 14 wird der erste Gold-Gold-Lauf am RHIC sein, bei dem die stochastische Kühlung vollständig implementiert ist, um die Strahlen innerhalb der beiden RHIC-Ringe in drei Richtungen (horizontal, vertikal und longitudinal) zu bündeln.
“Wir verwendeten dieses System 2012 bei Uran-Uran- und Kupfer-Gold-Kollisionen”, sagte Fischer. “Aber seitdem haben wir das Longitudinalsystem zur Strahlbündelung entlang der Richtung des Strahls durch verbesserte Aufnahmen und elektrische Felder verfeinert, um die Streuung der Teilchen innerhalb der Ionenstrahlen besser zu registrieren und zu korrigieren.” Für den noch besseren Gebrauch der gekühlten Strahlen hat der RHIC Run Coordinator, Guillaume Robert-Demolaize, ein neues Schema entwickelt, um die Strahlen an den Interaktionspunkten sogar noch kleiner zu machen, nachdem ihre Größe reduziert wurde.
Lauf 14 wird auch von der ersten supraleitenden Radiofrequenzkammer (radiofrequency cavity, RF) profitieren, die am RHIC installiert wurde. Radiofrequenzkammern beschleunigen und fokussieren die Ionenstrahlen und erzeugen starke elektromagnetische Felder, um die geladenen Teilchen in immer höhere Energien zu treiben und die Ionen daran zu hindern, sich zu sehr zu streuen. Supraleitende Kammern erlauben diesen Systemen, mit höherer Spannung zu arbeiten, was einen kräftigeren Stoß bewirkt.
“Dieses neue Radiofrequenzsystem liefert eine noch höhere fokussierende Kraft als alle konventionellen Kammern, die schon am RHIC installiert sind”, sagte Fischer. “Dies wird sein erster Lauf, hauptsächlich auf die Inbetriebnahme und das Testen ausgerichtet. Aber wir hoffen, bis zum Ende des Laufs Beiträge in Richtung verbesserter Luminosität zu sehen.”
Sogar vor diesem Lauf arbeitete der RHIC mit der 15-fachen Luminosität, für die er ursprünglich ausgelegt war. Wenn alles gut geht, könnte Lauf 14 diese Zahl auf das 18-fache der ursprünglichen Luminosität erhöhen, sagte Fischer.
Upgrades des Detektors
Die Detektoren am RHIC – STAR und PHENIX – sind bereit, um das Beste aus diesen außergewöhnlich hohen Kollisionsraten zu machen. Dafür wurden sie mit neuen Fähigkeiten zum Nachweis von Teilchen ausgestattet, die in dem Plasma erzeugt wurden. Dazu gehören Teilchen aus Quarks, die schwerer als die “Up”- und “Down”-Quarks sind, welche man in gewöhnlicher Materie findet. Ihrer exotischeren Natur entsprechend, haben sie die seltsamen Namen “Charm”- und “Beauty”-Quark. (Anm. d. Red.: Das Beauty-Quark wird auch als Bottom-Quark bezeichnet.) Teilchen aus diesen schweren Quarks existieren scheinbar für einen kurzen Moment und zerfallen innerhalb der Zeit, die man benötigt, um sich 100 Mikrometer weit zu bewegen – ungefähr die Dicke eines Haares. Aber sogar dieser kurze Flug ist lang genug, damit die empfindlichsten Detektoren ihn verfolgen und diese schwer nachweisbaren Teilchen durch ihre Zerfallsprodukte identifizieren können.
Das am STAR-Detektor installiere Gerät zur Erfüllung dieser Aufgabe ist der Heavy Flavor Tracker (HFT). Das 15 Millionen US-Dollar teure Gerät wurde nach vielen Jahren Entwicklungszeit kurz vor Beginn des Laufs installiert und ist der erste Siliziumdetektor an einem Kollidierer, der Monolithic Active Pixel Sensor Technologie verwendet – “dieselbe Technologie, die auch Digitalkameras nutzen”, sagte Jamie Dunlop vom STAR-Projekt, ein Physiker am Brookhaven National Laboratory. “Seine Siliziumsensoren sind beispiellos dünn: etwa 50 Mikrometer oder halb so dick wie ein menschliches Haar. “Ihre Dünnheit und hohe Auflösung wird Untersuchungen davon erlauben, wie Teilchen, die aus schweren Quarks bestehen, aus dem Quark-Gluonen-Plasma am RHIC herausströmen.
PHENIX ist ein zylinderförmiger Siliziumdetektor tief im Innern des Experiments, der an jedem Ende des Zylinders einen Scheitelpunktdetektor besitzt. “Diese Siliziumdetektoren sind unglaublich präzise und ermöglichen uns, Teilchenspuren zu finden, die nicht direkt aus der Gold-Gold-Kollision stammen, sondern stattdessen einige Mikrometer davon entfernt entstehen. Mit anderen Worten: Spuren von Teilchen, die wahrscheinlich aus dem Zerfall jener schweren Teilchen hervorgingen, die Charm- oder Beauty-Quarks enthalten”, sagte Dave Morrison vom Brookhaven National Laboratory, ein Sprecher der PHENIX Collaboration.
“Zu gewährleisten, dass PHENIX erfolgreich Daten sammelt, erfordert enorme, anhaltende Anstrengungen von der ganzen Gemeinschaft”, sagte Morrison. Die Person, die diese Bemühungen für den Lauf 14 koordiniert, ist der PHENIX Run Coordinator Klaus Dehmelt von der Stony Brook University. Er sagte: “Mit den neuen Siliziumdetektoren besitzt PHENIX jetzt mehr als vier Millionen elektronische Kanäle. Es ist ein sehr komplexes und leistungsfähiges Experiment und ich bin begeistert, ein Teil von ihm zu sein.”
STAR wird zudem einen vollständig installierten Muon Telescope Detector (“Myonen-Teleskopdetektor”) besitzen, der als Teil einer bestehenden erfolgreichen US-chinesischen Zusammenarbeit mit weiteren Partnern aus Indien konstruiert wurde. Dieser Detektor wird Myonen identifizieren (schwerere Gegenstücke der Elektronen, die in fast rechten Winkeln zu den kollidierenden Strahlen emittiert werden), wo STAR bereits Elektronen registriert hat. Durch Vergleiche von Myon-Myon-Paaren mit Elektron-Myon-Paaren können Physiker des STAR-Experiments die Erzeugung von Charm- und Beauty-Quarks, sowie verschiedene gebundene Zustände dieser schweren Quarks von dem Leuchten der Elektronen- und Myonen-Paare unterscheiden, die in dem heißen Quark-Gluonen-Plasma erzeugt werden.
Dieses Upgrade versetzt STAR in die Lage, fast alle Teilchentypen registrieren zu können, die annähernd rechtwinklig zu dem Strahl emittiert werden, wobei neutrale Hadronen (zum Beispiel Neutronen) und Neutrinos die Ausnahmen bilden. Neutrinos durchfliegen STAR und fast alles andere ohne Wechselwirkungen.
Das Wiegen schwerer Teilchen
Die verbesserten Fähigkeiten der beiden Detektoren und die erhöhte Anzahl der zu analysierenden Kollisionen wird Messungen davon erlauben, wie sich verschiedene Arten gebundener Zustände verhalten, die aus schweren Quark-Antiquark-Paaren bestehen. Die seltensten dieser Paare sind die J/psi-Teilchen (bestehend aus einem Charm- und einem Anticharm-Quark) und Ypsilon-Teilchen (bestehend aus einem Beauty- und einem Antibeauty-Quark).
Man geht davon aus, dass diese gebundenen Zustände in dem Quark-Gluonen-Plasma “schmelzen” werden, was in geringeren nachweisbaren Anzahlen resultiert, als es ohne die Bildung des Quark-Gluonen-Plasmas der Fall wäre. Weil sie bei verschiedenen Temperaturen schmelzen, können winzige Veränderungen bei ihrer Produktion als Mini-Thermometer dienen, um die Temperaturen innerhalb der “siedenden Suppe” noch präziser zu messen. Die Verfolgung dieser seltenen, schweren Teilchen wird außerdem weitere Einblicke in die Fähigkeit des Plasmas geben, mit extrem geringer Viskosität (oder geringem Widerstand) zu fließen. Dies ist eine Eigenschaft, die bei den energiereichsten Kollisionen am RHIC gegen Null zu tendieren scheint – das Level, bei dem jedes Fluid als “perfekt” angesehen wird.
“Ich betrachte das Quark-Gluonen-Plasma wie einen fließenden Fluss”, sagte der Physiker Jamie Nagle von der University of Colorado, Sprecher des PHENIX-Experiments. “Wenn man einen kleinen Kiesel in den Fluss wirft, kann der Kiesel von dem Fluss mitgerissen werden, falls er stark genug ist. Das Charm-Quark ist ein mittelschwerer ‘Kiesel’ und das Beauty-Quark ist ein Schwergewicht (dreimal schwerer als das Charm-Quark). Zu vergleichen, wie diese Teilchen fließen, kann Informationen über die Stärke des fließenden ‘Flusses’ preisgeben und darüber, wie viel Kraft er auf diese schweren Quarks ausübt – die ‘Bindungsstärke’ des Quark-Gluonen-Plasmas”, sagte er.
Messungen davon, wie die schweren Teilchen mit dem Plasma interagieren, werden Forschern helfen, erste Hinweise zu überprüfen, wonach einige energiereiche Teilchen trotz der fast reibungsfreien Umgebung “hängen bleiben” wie diejenigen mit geringerer Energie. Das geschieht, wenn am Rande der interagierenden Materie unmittelbar aufeinander folgende Teilchenjets erzeugt werden, wobei der Jet, der eine größere Strecke durch das Plasma zurücklegen muss, mehr Energie verliert als der Jet mit einem schnellen Austritt. Dieses Phänomen namens “Jet Quenching” war eine der ersten vorhergesagten Signaturen eines Quark-Gluonen-Plasmas. Untersuchungen von Jets aus schweren Quarks mit höherem Impuls (die das Plasma erwartungsgemäß durchdringen können) werden die frühen Beobachtungen überprüfen. Möglicherweise werden sie auch Erkenntnisse darüber liefern, wie das Plasma Teilchen mit hohem Impuls auf ihren Bahnen stoppt.
Eine Untersuchung bei geringerer Energie
Um die relevanten Daten für diese erstaunlichen Fragen zu sammeln, werden Physiker den RHIC 15 Wochen lang mit voller Energie betreiben – 100 Milliarden Elektronenvolt (100 GeV) pro kollidierendem Proton oder Neutron. Aber vor der Steigerung auf dieses Energielevel werden sie für drei Wochen Kollisionen mit 7,3 Milliarden Elektronenvolt pro Nukleon durchführen. Das ist unterhalb der Anfangsenergie, mit der die Strahlen in den RHIC eingebracht werden und ein Beleg für die Vielseitigkeit der Maschine, mit einem breiten Energiebereich arbeiten zu können.
Warum wird die Energie gedrosselt? Um eine Lücke in den Datenpunkten des kürzlich durchgeführten “Strahlenergie-Scans” zu untersuchen. Dabei wird in einem umfassenden Bereich von Energie und Teilchendichte systematisch erforscht, wie sich Materie von gewöhnlichen Kernen in Quark-Gluonen-Plasma verwandelt. Diese Erforschung hat interessante Details darüber geliefert, wie sich das Verhalten von Kernmaterie vor und nach dem Übergang ändert und wie sich der Phasenwechsel bei verschiedenen Energiedichten verändert. Es spricht für einen möglichen kritischen Punkt bei genau der fehlenden Energie, an dem diese Art Übergang stattfindet.
“Diese Lücke in den bereits untersuchten Energien liegt genau da, wo die von uns gesammelten Daten darauf schließen lassen, dass sich ein paar Schlüsselsignaturen des Phasenübergangs und ein möglicher kritischer Punkt am stärksten verändern könnten. Dort könnte sich ein interessantes Verhalten verbergen”, sagte Dunlop.
Es werden Pläne entwickelt, um in Zukunft ein externes Elektronenkühlsystem am RHIC-Komplex hinzuzufügen. Das System würde die Anzahl der bei geringen Energien verfügbaren Ereignisse um eine weitere Größenordnung erhöhen, was sogar noch mehr Fortschritte im unteren Ende des Energie-Scans zur Folge hätte. Als Teil des Plans für dieses zukünftige Upgrade wird der diesjährige Lauf das Testen einer neuen magnetischen Konfiguration einbeziehen, die von Christoph Montag entwickelt wurde. Montag ist der Low Energy Run Coordinator am Brookhaven National Laboratory.
Test der Elektronenlinse
Lauf 14 wird für die RHIC-Physiker auch eine Gelegenheit darstellen, eine anderes neue Komponente des kürzlich vervollständigten Equipments zu testen, das für die Steigerung der Luminosität bei zukünftigen Proton-Proton-Kollisionen entwickelt wurde. Die Geräte – Elektronenlinsen genannt – verwenden die Anziehungskraft, welche negativ geladene Elektronen auf positiv geladene Protonen ausüben, um in einem laufenden Strahl die Tendenz der Protonen auszugleichen, die Protonen in dem anderen Strahl abzustoßen.
“Es gibt eine abstoßende Kraft zwischen zwei Protonenstrahlen, aber sie ist nicht linear”, sagte Fischer. “Sie hängt davon ab, ob sich das Proton in der Mitte des Strahls befindet oder am Rand. Diese nichtlinerare Kraft ist die dominante Quelle des Protonenverlusts bei den Kollisionen. Wir wollen das mit Elektronenlinsen korrigieren.”
In diesem Zusammenhang ist die Linse ein energiearmer Elektronenstrahl, der mit dem Protonenstrahl kollidiert. Der Elektronenstrahl hat ein quer gerichtetes Profil, das auf ein durchquerendes Proton dieselbe Kraft ausübt, die das Proton bei der Durchquerung des anderen Protonenstrahls erfahren würde, nur mit dem entgegengesetzten Vorzeichen. Der negativ geladene Strahl wirkt also jener abstoßenden Kraft entgegen, welche die Protonen erfahren.
“Die Elektronenlinsen sind vollständig installiert und wir können im Rahmen des Laufs 14 fast alle Überprüfungen mit Goldstrahlen durchführen”, sagte Fischer. “Auf diese Weise werden sie bereit sein, wenn wir nächstes Jahr mit Protonenstrahlen arbeiten.”
Modernste Technologie
“Die neuen Technologien, die für den Lauf 14 am Beschleuniger und den Detektoren des RHIC installiert wurden, entsprechen dem neuesten Stand der Technik und übersteigen in vielerlei Hinsicht die Fähigkeiten des europäischen Large Hadron Collider (LHC)”, sagte Mueller. “Viele dieser Verbesserungen werden in zukünftigen Upgrades am LHC und anderswo Anwendung finden.”
“Obwohl der LHC eine höhere Energie besitzt, werden wir immer eine höhere Luminosität und Vielseitigkeit haben. Und weil der RHIC eine Maschine zur Untersuchung der Schwerionenphysik ist, haben wir jedes Jahr auch mehr Zeit, um diese Forschungen durchzuführen”, ergänzte Fischer. Der diesjährige Lauf verspricht, diese Fähigkeiten und den anhaltenden Führungsanspruch des RHIC auf dem Gebiet zu demonstrieren.
Die Forschung am RHIC wird hauptsächlich vom Office of Science des US-Energieministeriums und diesen Agenturen und Organisationen finanziert. Das Office of Science ist der größte Unterstützer von physikalischer Grundlagenforschung in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen.
Quelle: http://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=11606
(THK)
Antworten