stringtranslate.com

Тэватрон

Тэватрон — круговой ускоритель частиц (действовал до 2011 года) в США , в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (называемой Фермилаб ), к востоку от Батавии , штат Иллинойс , и был коллайдером частиц с самой высокой энергией до Большого адронного коллайдера (БАК) в США. Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) была построена недалеко от Женевы, Швейцария . Тэватрон представлял собой синхротрон , который ускорял протоны и антипротоны в кольце длиной 6,28 км (3,90 мили) до энергии до 1 ТэВ , отсюда и его название. [1] [2] Тэватрон был завершен в 1983 году и обошелся в 120 миллионов долларов, а значительные инвестиции в его модернизацию были сделаны в период его активной деятельности в 1983–2011 годах.

Главным достижением Тэватрона стало открытие в 1995 году топ -кварка — последнего фундаментального фермиона , предсказанного Стандартной моделью физики элементарных частиц. 2 июля 2012 года ученые экспериментальных групп коллайдеров CDF и DØ в Фермилабе объявили о результатах анализа около 500 триллионов столкновений, произошедших на коллайдере Тэватрон с 2001 года, и обнаружили, что существование предполагаемого бозона Хиггса весьма вероятно с достоверность 99,8%, [3] позже повысилась до более чем 99,9%. [4]

Тэватрон прекратил работу 30 сентября 2011 г. из-за сокращения бюджета [5] и завершения строительства БАК, который начал работу в начале 2010 г. и является гораздо более мощным (плановые энергии составляли два пучка по 7 ТэВ на БАК по сравнению с 1 ТэВ на Тэватроне). Главное кольцо Тэватрона, вероятно, будет повторно использовано в будущих экспериментах, а его компоненты могут быть перенесены в другие ускорители частиц. [6]

История

1 декабря 1968 года состоялось открытие линейного ускорителя (линейного ускорителя). Строительство Главного корпуса ускорителя началось 3 октября 1969 года, когда Роберт Р. Уилсон , директор NAL, перевернул первую лопату земли . Это станет Главным кольцом Фермилаба длиной 6,3 км. [1]

Первый пучок на линейном ускорителе с энергией 200 МэВ стартовал 1 декабря 1970 года. Первый пучок с энергией 8 ГэВ был получен 20 мая 1971 года. 30 июня 1971 года пучок протонов впервые был проведён через всю ускорительную систему Национальной ускорительной лаборатории. включая Главное Кольцо. Пучок был ускорен всего до 7 ГэВ. Тогда ускоритель-носитель взял 200 МэВ протонов из линейного ускорителя и «увеличил» их энергию до 8 миллиардов электронвольт. Затем их ввели в Главный ускоритель. [1]

В том же году, перед завершением строительства Главного кольца, Уилсон 9 марта 1971 года свидетельствовал Объединенному комитету по атомной энергии, что можно достичь более высокой энергии с помощью сверхпроводящих магнитов . Он также предположил, что это можно сделать, используя тот же туннель, что и главное кольцо, и что новые магниты будут установлены в тех же местах и ​​будут работать параллельно с существующими магнитами Главного кольца. Это было отправной точкой проекта Тэватрон. [7] Тэватрон находился в стадии исследований и разработок между 1973 и 1979 годами, в то время как ускорение на Главном кольце продолжало усиливаться. [8]

В результате ряда важных событий ускорение возросло 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 его расчетной энергии 200 ГэВ. К концу 1973 года ускорительная система NAL нормально работала при энергии 300 ГэВ. [1]

14 мая 1976 года Фермилаб довела энергию протонов до 500 ГэВ. Это достижение дало возможность ввести новую энергетическую шкалу — тераэлектронвольт (ТэВ), равную 1000 ГэВ. 17 июня того же года европейский суперпротонный синхротронный ускоритель (SPS) достиг начальной энергии циркулирующего пучка протонов (без ускоряющей радиочастотной мощности) всего в 400 ГэВ. [9]

Основное кольцо обычных магнитов было остановлено в 1981 году для установки под ним сверхпроводящих магнитов. Главное кольцо продолжало служить инжектором для Тэватрона до тех пор, пока в 2000 году к западу от Главного кольца не было завершено строительство Главного инжектора. [7] «Удвоитель энергии», как его тогда называли, произвел свой первый ускоренный луч — 512 ГэВ — 3 июля 1983 г. [10]

Его начальная энергия 800 ГэВ была достигнута 16 февраля 1984 г. 21 октября 1986 г. ускорение на Тэватроне было доведено до 900 ГэВ, что обеспечило первое протон-антипротонное столкновение при энергии 1,8 ТэВ 30 ноября 1986 г. [11]

Главный инжектор , пришедший на смену главному кольцу, [12] был наиболее существенным дополнением, построенным за шесть лет с 1993 года и обошедшимся в 290 миллионов долларов. [13] Второй запуск коллайдера Тэватрон начался 1 марта 2001 года, после успешного завершения модернизации этого объекта. С тех пор луч был способен передавать энергию 980 ГэВ. [12]

16 июля 2004 года Тэватрон достиг нового пика светимости , побив рекорд, ранее установленный старыми европейскими пересекающимися накопительными кольцами (ISR) в ЦЕРНе. Тот самый рекорд Фермилаба был удвоен 9 сентября 2006 г., затем чуть более чем утроен 17 марта 2008 г. и в конечном итоге умножен в 4 раза по сравнению с предыдущим рекордом 2004 г. 16 апреля 2010 г. (до 4 × 1032  см -2 с -1 ). [11]

Тэватрон прекратил работу 30 сентября 2011 года. К концу 2011 года Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН достиг светимости почти в десять раз выше, чем у Теватрона (3,65 × 1033  см -2 с -1 ) и энергией пучков по 3,5 ТэВ каждый (с 18 марта 2010 г.), что уже в ~3,6 раза превышает возможности Тэватрона (при 0,98 ТэВ).

Механика

Ускорение происходило в несколько этапов. Первой ступенью был предускоритель Кокрофта-Уолтона на 750 кэВ , который ионизовал газообразный водород и ускорял созданные отрицательные ионы с помощью положительного напряжения . Затем ионы попали в линейный ускоритель (linac) длиной 150 метров , который использовал колеблющиеся электрические поля для ускорения ионов до 400 МэВ . Затем ионы прошли через углеродную фольгу, чтобы удалить электроны , а заряженные протоны переместились в бустер . [14]

Бустер представлял собой небольшой круглый синхротрон, вокруг которого протоны проходили до 20 000 раз, достигая энергии около 8 ГэВ . Из бустера частицы подавались в главный инжектор, который был построен в 1999 году для выполнения ряда задач. Он мог ускорять протоны до 150 ГэВ; производить протоны с энергией 120 ГэВ для создания антипротонов; увеличить энергию антипротонов до 150 ГэВ; и ввести протоны или антипротоны в Тэватрон. Антипротоны были созданы Источником Антипротонов . Протоны с энергией 120 ГэВ столкнулись с никелевой мишенью, в результате чего образовался ряд частиц, включая антипротоны, которые можно было собрать и сохранить в аккумуляторном кольце. Затем кольцо могло передать антипротоны в главный инжектор.

Тэватрон мог ускорять частицы из Главного инжектора до 980 ГэВ. Протоны и антипротоны ускорялись в противоположных направлениях, пересекали пути в детекторах CDF и DØ и столкнулись при энергии 1,96 ТэВ. Для удержания частиц на треке Тэватрон использовал 774 ниобий-титановых сверхпроводящих дипольных магнита , охлаждаемых в жидком гелии , создающих напряженность поля 4,2 Тл . Поле нарастало в течение примерно 20 секунд по мере ускорения частиц. Еще 240 квадрупольных магнитов NbTi использовались для фокусировки луча. [2]

Первоначальная проектная светимость Тэватрона составляла 10 30 см -2 с -1 , однако после модернизации ускоритель смог обеспечить светимости до 4 × 1032  см -2 с -1 . [15]

27 сентября 1993 года криогенная система охлаждения ускорителя Тэватрон была названа Американским обществом инженеров-механиков международным историческим памятником . Система, которая поставляла криогенный жидкий гелий сверхпроводящим магнитам Тэватрона, была крупнейшей низкотемпературной системой, существовавшей на момент ее завершения в 1978 году. Она сохраняла катушки магнитов, которые изгибали и фокусировали пучок частиц, в сверхпроводящем состоянии. так что они потребляли только ⅓ мощности, которая им потребовалась бы при нормальной температуре. [8]

Открытия

Тэватрон подтвердил существование нескольких субатомных частиц , предсказанных теоретической физикой элементарных частиц , или дал предположения об их существовании. В 1995 году коллаборации эксперимента CDF и эксперимента 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 B s -колебаний и наблюдении двух типов сигма-барионов . [16] В 2007 году сотрудничество DØ и CDF сообщило о прямом наблюдении «Каскада Б» (
Ξ−
б) Си барион . [17]

В сентябре 2008 года коллаборация DØ сообщила об обнаружении
Ом−
б, «двойной странный » барион Омега с измеренной массой, значительно превышающей предсказанную кварковой моделью. [18] [19] В мае 2009 года сотрудничество CDF обнародовало свои результаты по поиску
Ом−
бна основе анализа выборки данных, примерно в четыре раза превышающей ту, которая использовалась в эксперименте DØ. [20] Измерения массы в эксперименте CDF были6 054,4 ± 6,8 МэВ/ c 2 и находится в превосходном согласии с предсказаниями Стандартной модели, и никакого сигнала при ранее сообщенном значении в эксперименте DØ не наблюдалось. Два противоречивых результата DØ и CDF различаются на111 ± 18 МэВ/ c 2 или на 6,2 стандартных отклонения. Благодаря превосходному согласию между массой, измеренной с помощью CDF, и теоретическим ожиданием, это является убедительным признаком того, что частица, обнаруженная с помощью CDF, действительно является
Ом−
б. Ожидается, что новые данные экспериментов БАК прояснят ситуацию в ближайшем будущем.

2 июля 2012 года, за два дня до запланированного объявления на Большом адронном коллайдере (БАК), ученые коллайдера Тэватрон из коллабораций CDF и DØ объявили о своих выводах, полученных в результате анализа около 500 триллионов столкновений, произошедших с 2001 года: они обнаружили, что существование бозона Хиггса, вероятно, имело массу в районе 115–135 ГэВ. [21] [22] Статистическая значимость наблюдаемых признаков составляла 2,9 сигма, что означало, что существует только 1 из 550 шансов, что сигнал такой величины произошел бы, если бы на самом деле не существовало частицы с такими свойствами. Однако окончательный анализ данных Тэватрона не решил вопроса о существовании частицы Хиггса. [3] [23] Только тогда, когда 4 июля 2012 года ученые 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, были ли убедительные доказательства существования частицы Хиггса в этом диапазоне масс посредством последовательных измерений БАК и Тэватрона.

Нарушения из-за землетрясений

Даже на расстоянии тысяч миль землетрясения вызывали достаточно сильные движения магнитов, которые негативно влияли на качество пучков частиц и даже нарушали их. Поэтому на магнитах Тэватрона были установлены наклономеры, которые отслеживали мельчайшие движения и помогали быстро выявить причину проблем. Первым известным землетрясением, нарушившим работу луча, было землетрясение в Денали в 2002 году , а еще одно остановка коллайдера было вызвано умеренным локальным землетрясением 28 июня 2004 года. [26] С тех пор на Тэватроне были обнаружены мельчайшие сейсмические колебания, исходящие от более чем 20 землетрясений. без остановки, включая землетрясение в Индийском океане в 2004 году , землетрясение Ниас-Симеулю в 2005 году , землетрясение в Гисборне в Новой Зеландии в 2007 году , землетрясение на Гаити в 2010 году и землетрясение в Чили в 2010 году . [27]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcd «История ускорителя — Главное кольцо». Проект истории и архивов Фермилаб. Архивировано из оригинала 9 мая 2012 года . Проверено 7 октября 2012 г.
  2. ^ AB RR Wilson (1978). «Теватрон». Фермилаб . ФЕРМИЛАБ-ТМ-0763. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  3. ^ ab «Ученые Тэватрона объявляют свои окончательные результаты по частице Хиггса» . Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми. 2 июля 2012 года . Проверено 7 июля 2012 г.
  4. ^ «Эксперименты Тэватрона обнаруживают доказательства существования частиц, подобных Хиггсу» . ЦЕРН. 23 августа 2012 года . Проверено 21 апреля 2021 г.
  5. ↑ Марк Альперт (29 сентября 2011 г.). «Будущее ведущей лаборатории физики элементарных частиц США под угрозой». Научный американец . Проверено 7 октября 2012 г.
  6. ^ Вишневски, Рианна (1 февраля 2012 г.). «Гордое наследие Тэватрона». Журнал «Симметрия» . Фермилаб/SLAC.
  7. ^ ab «История ускорителя — переход главного кольца на удвоение/экономию энергии». Проект истории и архивов Фермилаб. Архивировано из оригинала 18 декабря 2012 года . Проверено 7 октября 2012 г.
  8. ^ ab «Криогенная система охлаждения Fermilab Tevatron». КАК Я . 1993 год . Проверено 12 августа 2015 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  9. ^ «Суперпротонный синхротрон отмечает свое 25-летие» . Курьер ЦЕРН . 2 июля 2011 года . Проверено 7 октября 2012 г.
  10. ^ «1983 — Год, когда Тэватрон ожил». Новости Ферми . 26 (15). 2003.
  11. ^ ab «Интерактивная временная шкала». Фермилаб . Проверено 7 октября 2012 г.
  12. ^ ab «Запуск II начинается у Тэватрона». Курьер ЦЕРН . 30 апреля 2001 года . Проверено 7 октября 2012 г.
  13. ^ «История главного инжектора и кольца ресайклера и общедоступная информация» . Главный инжекторный отдел Фермилаб. Архивировано из оригинала 15 октября 2011 года . Проверено 7 октября 2012 г.
  14. ^ «Ускорители — цепочка ускорителей Фермилаб». Фермилаб . 15 января 2002 года . Проверено 2 декабря 2009 г.
  15. ↑ Коллайдер TeVatron: тридцатилетняя кампания. Архивировано 27 мая 2010 г. в Wayback Machine.
  16. ^ «Экспериментаторы в Фермилабе обнаруживают экзотических родственников протонов и нейтронов». Фермилаб. 23 октября 2006 г. Проверено 23 октября 2006 г.
  17. ^ "Барионы спиной к спине в Батавии" . Фермилаб. 25 июля 2007 г. Проверено 25 июля 2007 г.
  18. ^ «Физики Фермилаба обнаружили «вдвойне странную» частицу» . Фермилаб. 3 сентября 2008 года . Проверено 4 сентября 2008 г.
  19. ^ В.М. Абазов и др. ( сотрудничество DØ ) (2008). «Наблюдение дважды странного b-бариона
    Ом−
    б    ". Physical Review Letters . 101 (23): 231002. arXiv : 0808.4142 . Bibcode : 2008PhRvL.101w2002A. doi : 10.1103/PhysRevLett.101.232002. PMID  19113541. S2CID  30481085. .
  20. ^ Т. Аалтонен и др. ( Сотрудничество CDF ) (2009). «Наблюдение за
    Ом−
    б    и измерение свойств
    Ξ−
    б    и
    Ом−
    б    ". Physical Review D. 80 ( 7): 072003. arXiv : 0905.3123 . Bibcode : 2009PhRvD..80g2003A. doi : 10.1103/PhysRevD.80.072003. S2CID  54189461.
  21. ^ «Обновленное сочетание поисков CDF и DØ по производству бозона Хиггса стандартной модели с данными до 10,0 фб-1» . Рабочая группа по новым явлениям Тэватрона и Хиггсу. Июнь 2012 года . Проверено 2 августа 2012 г.
  22. ^ Аалтонен, Т.; и другие. (CDF, ​​D0) (июль 2012 г.). «Доказательства существования частицы, образовавшейся в связи со слабыми бозонами и распадающейся на пару нижних кварков-антинижних кварков в ходе поисков бозона Хиггса на Теватроне». Письма о физических отзывах . 109 (7): 071804. arXiv : 1207.6436 . Бибкод : 2012PhRvL.109g1804A. doi : 10.1103/PhysRevLett.109.071804. PMID  23006359. S2CID  20050195 . Проверено 2 августа 2012 г.
  23. ↑ Ребекка Бойл (2 июля 2012 г.). «Дразнящие признаки бозона Хиггса, обнаруженные американским тэватронным коллайдером». Популярная наука . Проверено 7 июля 2012 г.
  24. ^ Сотрудничество CMS (31 июля 2012 г.). «Наблюдение нового бозона с массой 125 ГэВ в эксперименте CMS на БАК». Буквы по физике Б. 716 (2012): 30–61. arXiv : 1207.7235 . Бибкод : 2012PhLB..716...30C. doi :10.1016/j.physletb.2012.08.021.
  25. ^ Сотрудничество ATLAS (31 июля 2012 г.). «Наблюдение новой частицы в поисках бозона Хиггса стандартной модели с помощью детектора ATLAS на БАК». Буквы по физике Б. 716 (2012): 1–29. arXiv : 1207.7214 . Бибкод : 2012PhLB..716....1A. doi :10.1016/j.physletb.2012.08.020. S2CID  119169617.
  26. ^ Это было землетрясение? Спроси Тэватрона
  27. ^ Тэватрон видит землетрясение на Гаити

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

41 ° 49'55 "N 88 ° 15'07" W  /  41,832 ° N 88,252 ° W  / 41,832; -88,252