Tevatron был кольцевым ускорителем частиц (работал до 2011 года) в Соединенных Штатах , в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (называемой Fermilab ), к востоку от Батавии, штат Иллинойс , и был коллайдером частиц с самой высокой энергией до тех пор, пока Большой адронный коллайдер (LHC) Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) не был построен недалеко от Женевы, Швейцария . Tevatron был синхротроном , который ускорял протоны и антипротоны в кольце окружности 6,28 км (3,90 мили) до энергий до 1 ТэВ , отсюда и его название. [1] [2] Tevatron был завершен в 1983 году и стоил 120 миллионов долларов, и значительные инвестиции в модернизацию были сделаны в течение его активных лет 1983–2011.
Главным достижением Теватрона стало открытие в 1995 году топ-кварка — последнего фундаментального фермиона, предсказанного Стандартной моделью физики элементарных частиц. 2 июля 2012 года ученые из экспериментальных групп коллайдеров CDF и DØ в Фермилабе объявили о результатах анализа около 500 триллионов столкновений, произведенных коллайдером Теватрон с 2001 года, и обнаружили, что существование предполагаемого бозона Хиггса весьма вероятно с уверенностью в 99,8% [3] , позднее улучшенной до более чем 99,9% [4] .
Теватрон прекратил работу 30 сентября 2011 года из-за сокращения бюджета [5] и из-за завершения LHC, который начал работу в начале 2010 года и был гораздо более мощным (планируемая энергия составляла два пучка по 7 ТэВ на LHC по сравнению с 1 ТэВ на Теватроне). Главное кольцо Теватрона, вероятно, будет повторно использоваться в будущих экспериментах, а его компоненты могут быть переданы другим ускорителям частиц. [6]
1 декабря 1968 года был заложен фундамент линейного ускорителя (ЛУ). Строительство Главного корпуса ускорителя началось 3 октября 1969 года, когда Роберт Р. Уилсон , директор NAL, перевернул первую лопату земли. Это стало 6,3-километровой окружностью Главного кольца Фермилаба. [1]
Первый пучок линейного ускорителя на 200 МэВ был запущен 1 декабря 1970 года. Первый пучок бустера на 8 ГэВ был получен 20 мая 1971 года. 30 июня 1971 года пучок протонов был впервые направлен через всю ускорительную систему Национальной ускорительной лаборатории, включая Главное кольцо. Пучок был ускорен всего до 7 ГэВ. Тогда ускоритель-бустер принимал протоны на 200 МэВ из линейного ускорителя и «увеличивал» их энергию до 8 миллиардов электрон-вольт. Затем они были введены в Главный ускоритель. [1]
В том же году, до завершения Главного кольца, Уилсон свидетельствовал перед Объединенным комитетом по атомной энергии 9 марта 1971 года, что возможно достичь более высокой энергии, используя сверхпроводящие магниты . Он также предположил, что это можно сделать, используя тот же туннель, что и Главное кольцо, и новые магниты будут установлены в тех же местах, чтобы работать параллельно с существующими магнитами Главного кольца. Это было отправной точкой проекта Теватрона. [7] Теватрон находился в фазе исследований и разработок между 1973 и 1979 годами, в то время как ускорение на Главном кольце продолжало увеличиваться. [8]
Серия важных событий привела к увеличению ускорения до 20 ГэВ 22 января 1972 года, до 53 ГэВ 4 февраля и до 100 ГэВ 11 февраля. 1 марта 1972 года тогдашняя ускорительная система NAL впервые ускорила пучок протонов до проектной энергии 200 ГэВ. К концу 1973 года ускорительная система NAL работала в штатном режиме при 300 ГэВ. [1]
14 мая 1976 года Фермилаб довел свои протоны до 500 ГэВ. Это достижение дало возможность ввести новую шкалу энергии, тераэлектронвольт (ТэВ), равную 1000 ГэВ. 17 июня того же года Европейский суперпротонный синхротронный ускоритель (SPS) достиг начального циркулирующего протонного пучка (без ускоряющей радиочастотной мощности) всего лишь 400 ГэВ. [9]
Обычное магнитное Главное кольцо было закрыто в 1981 году для установки сверхпроводящих магнитов под ним. Главное кольцо продолжало служить инжектором для Теватрона, пока Главный инжектор не был достроен к западу от Главного кольца в 2000 году. [7] «Удвоитель энергии», как его тогда называли, произвел свой первый ускоренный пучок — 512 ГэВ — 3 июля 1983 года. [10]
Первоначальная энергия 800 ГэВ была достигнута 16 февраля 1984 года. 21 октября 1986 года ускорение на Тэватроне было увеличено до 900 ГэВ, что обеспечило первое столкновение протона с антипротоном при энергии 1,8 ТэВ 30 ноября 1986 года. [11]
Главный инжектор , который заменил Главное кольцо, [12] был самым существенным дополнением, построенным за шесть лет с 1993 года и стоившим 290 миллионов долларов. [13] Коллайдер Tevatron Run II начался 1 марта 2001 года после успешного завершения модернизации этого объекта. С тех пор пучок был способен выдавать энергию 980 ГэВ. [12]
16 июля 2004 года Теватрон достиг нового пика светимости , побив рекорд, установленный ранее старыми европейскими перекрещивающимися накопительными кольцами (ISR) в ЦЕРНе. Тот самый рекорд Фермилаба был удвоен 9 сентября 2006 года, затем немного утроен 17 марта 2008 года и, в конечном итоге, умножен в 4 раза по сравнению с предыдущим рекордом 2004 года 16 апреля 2010 года (до 4 × 1032 см −2 с −1 ). [11]
Тэватрон прекратил работу 30 сентября 2011 года. К концу 2011 года Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе достиг светимости, почти в десять раз превышающей светимость Тэватрона (3,65 × 1033 см −2 с −1 ) и энергией пучка 3,5 ТэВ каждый (с 18 марта 2010 года), что уже примерно в 3,6 раза превышает возможности Тэватрона (0,98 ТэВ).
Ускорение происходило в несколько этапов. Первый этап представлял собой предварительный ускоритель Кокрофта-Уолтона на 750 кэВ , который ионизировал водородный газ и ускорял отрицательные ионы, созданные с помощью положительного напряжения . Затем ионы переходили в линейный ускоритель (ЛУ) длиной 150 метров , который использовал осциллирующие электрические поля для ускорения ионов до 400 МэВ . Затем ионы проходили через углеродную фольгу, чтобы удалить электроны , а заряженные протоны затем перемещались в Бустер . [14]
Booster представлял собой небольшой кольцевой синхротрон, вокруг которого протоны проходили до 20 000 раз, достигая энергии около 8 ГэВ . Из Booster частицы подавались в Main Injector, который был завершен в 1999 году для выполнения ряда задач. Он мог ускорять протоны до 150 ГэВ; производить протоны с энергией 120 ГэВ для создания антипротонов; увеличивать энергию антипротонов до 150 ГэВ; и впрыскивать протоны или антипротоны в Tevatron. Антипротоны создавались Antiproton Source . 120-ГэВ протоны сталкивались с никелевой мишенью, производя ряд частиц, включая антипротоны, которые можно было собирать и хранить в накопительном кольце. Затем кольцо могло передавать антипротоны в Main Injector.
Tevatron мог ускорять частицы из главного инжектора до 980 ГэВ. Протоны и антипротоны ускорялись в противоположных направлениях, пересекая пути в детекторах CDF и DØ , чтобы столкнуться при 1,96 ТэВ. Для удержания частиц на пути Tevatron использовал 774 сверхпроводящих дипольных магнита из ниобия и титана, охлаждаемых жидким гелием, что создавало напряженность поля 4,2 тесла . Поле нарастало примерно за 20 секунд по мере ускорения частиц. Еще 240 квадрупольных магнитов из NbTi использовались для фокусировки пучка. [2]
Первоначальная проектная светимость Теватрона составляла 1030 см − 2 с −1 , однако после модернизации ускоритель смог выдавать светимости до 4 × 1032 см −2 с −1 . [15]
27 сентября 1993 года криогенная система охлаждения ускорителя Теватрон была названа Американским обществом инженеров-механиков Международной исторической достопримечательностью . Система, которая обеспечивала сверхпроводящие магниты Теватрона криогенным жидким гелием, была крупнейшей низкотемпературной системой из существовавших после ее завершения в 1978 году. Она поддерживала катушки магнитов, которые изгибали и фокусировали пучок частиц, в сверхпроводящем состоянии, так что они потребляли только ⅓ мощности, которая им потребовалась бы при нормальных температурах. [8]
Теватрон подтвердил существование нескольких субатомных частиц , которые были предсказаны теоретической физикой элементарных частиц , или дал предположения об их существовании. В 1995 году эксперимент CDF и эксперимент DØ объявили об открытии топ-кварка , а к 2007 году они измерили его массу (172 ГэВ) с точностью почти 1%. В 2006 году коллаборация CDF сообщила о первом измерении осцилляций B s и наблюдении двух типов сигма-барионов . [16]
В 2007 году коллаборации DØ и CDF сообщили о прямом наблюдении «Каскада B» (
Ξ−
б) Кси барион . [17]
В сентябре 2008 года сотрудничество DØ сообщило об обнаружении
Ω−
б, «двойной странный » барион Омега с измеренной массой, значительно превышающей предсказание кварковой модели. [18] [19] В мае 2009 года коллаборация CDF опубликовала результаты поиска
Ω−
бна основе анализа выборки данных, которая примерно в четыре раза больше той, которая использовалась в эксперименте DØ. [20] Массовые измерения из эксперимента CDF были6 054 .4 ± 6.8 МэВ/ c 2 и в отличном соответствии с предсказаниями Стандартной модели, и не было обнаружено сигнала при ранее сообщенном значении из эксперимента DØ. Два противоречивых результата от DØ и CDF отличаются на111 ± 18 МэВ/ c 2 или 6,2 стандартных отклонений. Благодаря отличному соответствию между массой, измеренной CDF, и теоретическим ожиданием, это является сильным указанием на то, что частица, обнаруженная CDF, действительно является
Ω−
б. Ожидается, что новые данные экспериментов на LHC прояснят ситуацию в ближайшем будущем.
2 июля 2012 года, за два дня до запланированного объявления на Большом адронном коллайдере (БАК), ученые коллабораций CDF и DØ на коллайдере Теватрон объявили о своих выводах из анализа около 500 триллионов столкновений, произведенных с 2001 года: они обнаружили, что существование бозона Хиггса вероятно с массой в районе 115–135 ГэВ. [21] [22] Статистическая значимость наблюдаемых признаков составила 2,9 сигма, что означало, что существует только 1 из 550 шансов, что сигнал такой величины мог бы возникнуть, если бы на самом деле не существовало частицы с такими свойствами. Однако окончательный анализ данных с Теватрона не решил вопрос о том, существует ли частица Хиггса. [3] [23] Только когда 4 июля 2012 года ученые из Большого адронного коллайдера объявили о более точных результатах LHC с массой 125,3 ± 0,4 ГэВ ( CMS ) [24] или 126 ± 0,4 ГэВ ( ATLAS ) [25] соответственно, появились веские доказательства, полученные путем последовательных измерений на LHC и Тэватроне, в пользу существования частицы Хиггса в этом диапазоне масс.
Даже на расстоянии в тысячи миль землетрясения вызывали достаточно сильные движения в магнитах, чтобы негативно повлиять на качество пучков частиц и даже нарушить их. Поэтому на магнитах Теватрона были установлены наклономеры для отслеживания мельчайших движений и быстрого выявления причин проблем. Первым известным землетрясением, нарушившим пучок, было землетрясение в Денали 2002 года , а еще одно отключение коллайдера было вызвано умеренным местным землетрясением 28 июня 2004 года. [26] С тех пор на Теватроне были обнаружены мельчайшие сейсмические колебания, исходящие от более чем 20 землетрясений без отключения, включая землетрясение в Индийском океане 2004 года , землетрясение Ниас-Симёлуэ 2005 года , новозеландское землетрясение в Гисборне 2007 года , землетрясение на Гаити 2010 года и землетрясение в Чили 2010 года . [27]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
Медиа, связанные с Теватроном на Wikimedia Commons41°49′55″с.ш. 88°15′07″з.д. / 41,832°с.ш. 88,252°з.д. / 41,832; -88,252