Теватрон - Tevatron

За пределами стандартной модели
CMS Higgs-event.jpg
Смоделированный Большой адронный коллайдер CMS данные детектора частиц, изображающие бозон Хиггса образуются сталкивающимися протонами, распадающимися на адронные струи и электроны
Стандартная модель
Эксперименты
Адронные коллайдеры
Fermilab.jpg
Тэватрон (фон) и Главный инжектор кольца
Пересекающиеся кольца для храненияЦЕРН, 1971–1984
Протон-антипротонный коллайдер (СПС )ЦЕРН, 1981–1991
ИЗАБЕЛЬBNL, отменен в 1983 г.
ТеватронФермилаб, 1987–2011
Сверхпроводящий суперколлайдерОтменено в 1993 г.
Релятивистский коллайдер тяжелых ионовBNL, 2000 – настоящее время
Большой адронный коллайдерЦЕРН, 2009 – настоящее время
Круговой коллайдер будущегоПредложенный

В Теватрон был циркулярным ускоритель частиц (активен до 2011 г.) в Соединенные Штаты, на Национальная ускорительная лаборатория Ферми (также известен как Фермилаб), Восток Батавия, Иллинойс, и является вторым коллайдером частиц с самой высокой энергией из когда-либо построенных после Большой адронный коллайдер (БАК) Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) рядом Женева, Швейцария. Тэватрон был синхротрон это ускорило протоны и антипротоны в кольце длиной 6,28 км (3,90 миль) до энергии до 1 ТэВ, отсюда и его название.[1][2] Строительство Теватрона было завершено в 1983 году и обошлось в 120 миллионов долларов, и в период его активной эксплуатации с 1983 по 2011 годы были сделаны значительные инвестиции в модернизацию.

Главным достижением Тэватрона стало открытие в 1995 г. верхний кварк -последний фундаментальный фермион предсказано Стандартная модель физики элементарных частиц. 2 июля 2012 г. учеными CDF и ДЕЛАТЬ группы экспериментов на коллайдере Фермилаб объявил о результатах анализа около 500 триллионов столкновений, произведенных коллайдером Тэватрон с 2001 года, и обнаружил, что существование предполагаемого бозона Хиггса весьма вероятно с вероятностью лишь 1 из 550, что признаки были вызваны статистическими колебаниями. . Через два дня результаты были подтверждены как верные с вероятностью ошибки менее 1 на миллион по данным из LHC эксперименты.[3]

Тэватрон прекратил работу 30 сентября 2011 года из-за сокращения бюджета.[4] и из-за завершения строительства LHC, который начал работу в начале 2010 года и является гораздо более мощным (запланированные энергии составляли два луча 7 ТэВ на LHC по сравнению с 1 ТэВ на Тэватроне). Главное кольцо Тэватрона, вероятно, будет повторно использовано в будущих экспериментах, а его компоненты могут быть перенесены на другие ускорители частиц.[5]

История

1 декабря 1968 года были заложены основы линейного ускорителя (линейного ускорителя). Строительство главного корпуса ускорителя началось 3 октября 1969 года, когда первая лопата земли была перевернута Роберт Р. Уилсон, Директор НАЛ. Это станет главным кольцом Фермилаба окружностью 6,3 км.[1]

Первый пучок линейного ускорителя с энергией 200 МэВ был запущен 1 декабря 1970 года. Первый пучок ускорителя с энергией 8 ГэВ был получен 20 мая 1971 года. 30 июня 1971 года пучок протонов впервые прошел через всю систему ускорителей Национальной ускорительной лаборатории. включая Главное кольцо. Пучок был ускорен всего до 7 ГэВ. Тогда Бустерный ускоритель забирал протоны с энергией 200 МэВ от линейного ускорителя и «повышал» их энергию до 8 миллиардов электрон-вольт. Затем они были введены в главный ускоритель.[1]

В том же году перед завершением строительства Главного кольца Уилсон засвидетельствовал Объединенному комитету по атомной энергии 9 марта 1971 года, что было 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 Tevatron.[6] Тэватрон находился в стадии исследований и разработок с 1973 по 1979 год, в то время как ускорение на Главном кольце продолжало увеличиваться.[7]

За серию этапов ускорение возросло до 20 ГэВ 22 января 1972 г., до 53 ГэВ 4 февраля и до 100 ГэВ 11 февраля. 1 марта 1972 г. тогдашняя ускорительная система NAL впервые ускорила пучок протонов. с расчетной энергией 200 ГэВ. К концу 1973 года ускорительная система NAL обычно работала на 300 ГэВ.[1]

14 мая 1976 г. 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 Супер протонный синхротрон ускоритель (SPS) достиг начального циркулирующего пучка протонов (без ускоряющей высокочастотной мощности) всего 400 ГэВ.[8]

Обычное главное кольцо магнита было остановлено в 1981 году для установки под ним сверхпроводящих магнитов. Главное кольцо продолжало служить инжектором для Теватрона, пока в 2000 году не было завершено строительство главного инжектора к западу от Главного кольца.[6] «Удвоитель энергии», как его тогда называли, произвел свой первый ускоренный пучок - 512 ГэВ - 3 июля 1983 года.[9]

Его начальная энергия 800 ГэВ была достигнута 16 февраля 1984 г. 21 октября 1986 г. ускорение на Тэватроне было увеличено до 900 ГэВ, что обеспечило первое столкновение протона с антипротоном при 1,8 ТэВ 30 ноября 1986 года.[10]

В Главный инжектор, который заменил Главное кольцо,[11] был самым значительным дополнением, построенным за шесть лет с 1993 года и обошедшимся в 290 миллионов долларов.[12] Коллайдер Tevatron Run II начался 1 марта 2001 года после успешного завершения модернизации этого объекта. С тех пор пучок мог передавать энергию 980 ГэВ.[11]

16 июля 2004 г. Тэватрон достиг нового пика. яркость, побив рекорд, ранее установленный старыми европейскими Пересекающиеся кольца для хранения (ISR) в ЦЕРН. Тот самый рекорд Фермилаба был удвоен 9 сентября 2006 г., затем чуть более чем утроен 17 марта 2008 г. и, в конечном счете, умножен в 4 раза по сравнению с предыдущим рекордом 2004 г. 16 апреля 2010 г. (до 4×1032 см−2 s−1).[10]

Тэватрон прекратил работу 30 сентября 2011 года. К концу 2011 года Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе достиг светимости почти в десять раз выше, чем у Тэватрона (3,65×1033 см−2 s−1) и энергия пучка 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 750 кэВ Кокрофт-Уолтон предускоритель, который ионизированный водород газа и ускорял отрицательные ионы, созданные с помощью положительного Напряжение. Затем ионы переходили в 150 метр длинная линейный ускоритель (линейный ускоритель), который использовал колеблющиеся электрические поля для ускорения ионов до 400 МэВ. Затем ионы прошли через углеродную фольгу, чтобы удалить электроны, а заряженный протоны затем переехал в Бустер.[13]

Ракета-носитель представляла собой небольшой круговой синхротрон, вокруг которого протоны проходили до 20000 раз, чтобы получить энергию около 8 ГэВ. Из бустера частицы подавались в главный инжектор, который был завершен в 1999 году для выполнения ряда задач. Он мог ускорять протоны до 150 ГэВ; производить протоны 120 ГэВ для создания антипротонов; увеличить энергию антипротонов до 150 ГэВ; и вводить протоны или антипротоны в Тэватрон. Антипротоны были созданы Источник антипротонов. Протоны с энергией 120 ГэВ столкнулись с никелевой мишенью, образуя ряд частиц, включая антипротоны, которые можно было собирать и хранить в кольце аккумулятора. Кольцо могло затем передавать антипротоны в главный инжектор.

Тэватрон мог ускорять частицы из главного инжектора до 980 ГэВ. Протоны и антипротоны ускорялись в противоположных направлениях, пересекая пути в CDF и ДЕЛАТЬ детекторы столкнутся при 1,96 ТэВ. Чтобы удерживать частицы на пути, Тэватрон использовал 774 ниобий-титановый сверхпроводящий диполь магниты охлажденный в жидкости гелий создавая напряженность поля 4,2 тесла. Поле увеличивалось в течение примерно 20 секунд по мере ускорения частиц. Еще 240 NbTi квадруполь Для фокусировки луча использовались магниты.[2]

Первоначальный дизайн яркость Тэватрона было 1030 см−2 s−1однако после модернизации ускоритель смог обеспечить яркость до 4×1032 см−2 s−1.[14]

27 сентября 1993 г. криогенный система охлаждения ускорителя Тэватрон была названа Международный исторический памятник посредством Американское общество инженеров-механиков. Система, которая поставляла криогенный жидкий гелий сверхпроводящим магнитам Тэватрона, была крупнейшей низкотемпературной системой, существовавшей после ее завершения в 1978 году. Она удерживала катушки магнитов, изгибающих и фокусирующих пучок частиц, в сверхпроводящем состоянии. так что они потребляли только энергии, которая им требовалась бы при нормальной температуре.[7]

Открытия

Тэватрон подтвердил существование нескольких субатомные частицы которые были предсказаны теоретическая физика элементарных частиц, или высказал предположения об их существовании. В 1995 г. CDF эксперимент и DØ эксперимент коллаборации объявили об открытии верхний кварк, а к 2007 году они измерили его массу (172 ГэВ) с точностью около 1%. В 2006 году коллаборация CDF сообщила о первом измерении Bs колебания, и наблюдение двух типов сигма барионы.[15]В 2007 году коллаборации DØ и CDF сообщили о прямом наблюдении за «Каскадом B» (
Ξ−
б) Xi барион.[16]

В сентябре 2008 года коллаборация DØ сообщила об обнаружении
Ω−
б, двойной странный " Омега барион с измеренной массой, значительно превышающей предсказание кварковой модели.[17][18] В мае 2009 года коллаборация CDF обнародовала свои результаты по поиску
Ω−
б на основе анализа выборки данных, примерно в четыре раза большей, чем использованная в эксперименте DØ.[19] Измерения массы из эксперимента CDF были 6054.4±6,8 МэВ /c2 и отлично согласуется с предсказаниями Стандартной модели, и при ранее сообщенном значении из эксперимента D0 не наблюдалось никакого сигнала. Два противоречивых результата от D0 и CDF отличаются на 111±18 МэВ /c2 или на 6,2 стандартных отклонения. Из-за превосходного согласия между массой, измеренной CDF, и теоретическим ожиданием, это убедительное свидетельство того, что частица, обнаруженная CDF, действительно является
Ω−
б. Ожидается, что новые данные от LHC эксперименты прояснят ситуацию в ближайшее время.

2 июля 2012 г., за два дня до запланированного объявления в Большой адронный коллайдер (LHC), ученые коллайдера Тэватрон из коллабораций CDF и DØ объявили о своих выводах из анализа около 500 триллионов столкновений, произошедших с 2001 года: они обнаружили, что существование бозона Хиггса, вероятно, с массой в диапазоне от 115 до 135 ГэВ.[20][21] Статистическая значимость наблюдаемых признаков составляла 2,9 сигма, что означало, что существует только 1 из 550 шансов, что сигнал такой величины возник бы, если бы на самом деле не существовало частицы с такими свойствами. Однако окончательный анализ данных с Тэватрона не разрешил вопрос о том, существует ли частица Хиггса.[3][22] Только когда 4 июля 2012 г. ученые с Большого адронного коллайдера объявили о более точных результатах LHC с массой 125,3 ± 0,4 ГэВ (CMS )[23] или 126 ± 0,4 ГэВ (АТЛАС )[24] соответственно, были ли убедительные доказательства существования частицы Хиггса в этом диапазоне масс посредством последовательных измерений с помощью LHC и Тэватрона.

Сбои из-за землетрясений

Землетрясения, даже если они происходили за тысячи миль, действительно вызывали достаточно сильные движения магнитов, чтобы отрицательно повлиять на качество луча и даже нарушить его. Поэтому на магнитах Tevatron были установлены наклономеры для отслеживания минутных перемещений и быстрого определения причины проблем. Первым известным землетрясением, нарушившим луч, было Землетрясение в Денали 2002 г., с другим остановом коллайдера, вызванным умеренным локальным землетрясением 28 июня 2004 г.[25] С тех пор мельчайшие сейсмические колебания, исходящие от более чем 20 землетрясений, были зарегистрированы на Тэватроне без остановки, как и Землетрясение 2004 года в Индийском океане, то Землетрясение 2005 г. в Ниас-Симеулуэ, Новой Зеландии Землетрясение в Гисборне 2007 г., то Землетрясение на Гаити 2010 г. и Землетрясение в Чили 2010 г..[26]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d «История ускорителя - главное кольцо». Проект истории и архивов Фермилабов. Получено 7 октября 2012.
  2. ^ а б Р. Р. Уилсон (1978). "Тэватрон". Фермилаб. ФЕРМИЛАБ-ТМ-0763. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  3. ^ а б «Ученые Tevatron объявляют о своих окончательных результатах по частице Хиггса». Национальная ускорительная лаборатория Ферми. 2 июля 2012 г.. Получено 7 июля, 2012.
  4. ^ Марк Альперт (29 сентября 2011 г.). «Будущее ведущей лаборатории США по физике элементарных частиц в опасности». Scientific American. Получено 7 октября 2012.
  5. ^ Вишневски, Рианна (01.02.2012). «Гордое наследие Теватрона». Журнал Симметрия. Фермилаб / SLAC.
  6. ^ а б «История ускорителя - переход главного кольца к удвоителю / энергосбережению». Проект истории и архивов Фермилабов. Получено 7 октября 2012.
  7. ^ а б «Криогенная система охлаждения Fermilab Tevatron». КАК Я. 1993. Получено 2015-08-12. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  8. ^ «Супер протонный синхротрон отмечает свое 25-летие». Курьер ЦЕРН. 2 июля 2011 г.. Получено 7 октября 2012.
  9. ^ «1983 - год ожил тэватрон». Новости Ферми. 26 (15). 2003.
  10. ^ а б «Интерактивная шкала времени». Фермилаб. Получено 7 октября 2012.
  11. ^ а б «Бег II начинается в Теватроне». Курьер ЦЕРН. 30 апреля 2001 г.. Получено 7 октября 2012.
  12. ^ «История главного инжектора и кольца рециклера и общедоступная информация». Отделение главного инжектора Фермилаб. Архивировано из оригинал 15 октября 2011 г.. Получено 7 октября 2012.
  13. ^ «Ускорители - цепочка ускорителей Фермилаб». Фермилаб. 15 января 2002 г.. Получено 2 декабря 2009.
  14. ^ Коллайдер TeVatron: 30-летняя кампания В архиве 2010-05-27 на Wayback Machine
  15. ^ «Экспериментаторы Фермилаб обнаруживают экзотических родственников протонов и нейтронов». Фермилаб. 2006-10-23. Получено 2006-10-23.
  16. ^ "Спина к спине b Барионы в Батавии". Фермилаб. 2007-07-25. Получено 2007-07-25.
  17. ^ «Физики Фермилаба открывают« вдвойне странную »частицу». Фермилаб. 3 сентября 2008 г.. Получено 2008-09-04.
  18. ^ Абазов В. М. и другие. (DØ сотрудничество ) (2008). "Наблюдение за дважды странным барионом
    Ω−
    б    ". Письма с физическими проверками. 101 (23): 231002. arXiv:0808.4142. Bibcode:2008PhRvL.101w2002A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.101.232002. PMID  19113541.
  19. ^ Т. Аалтонен и другие. (CDF Сотрудничество ) (2009). "Наблюдение за
    Ω−
    б     и измерение свойств
    Ξ−
    б     и
    Ω−
    б    ". Физический обзор D. 80 (7): 072003. arXiv:0905.3123. Bibcode:2009ПхРвД..80г2003А. Дои:10.1103 / PhysRevD.80.072003.
  20. ^ «Обновленная комбинация поисков CDF и DØ для производства бозона Хиггса стандартной модели с объемом данных до 10,0 фб-1». Новые явления Тэватрона и рабочая группа Хиггса. Июнь 2012 г.. Получено 2 августа, 2012.
  21. ^ Aaltonen, T .; Абазов, В. М .; Abbott, B .; Acharya, B.S .; Адамс, М .; Adams, T .; Алексеев, Г. Д .; Алхазов, Г .; Alton, A .; Álvarez González, B .; Alverson, G .; Amerio, S .; Amidei, D .; Анастасов, А .; Annovi, A .; Antos, J .; Apollinari, G .; Appel, J. A .; Arisawa, T .; Артиков, А .; Asaadi, J .; Ашманскас, В .; Аскью, А .; Аткинс, S .; Auerbach, B .; Augsten, K .; Aurisano, A .; Avila, C .; Azfar, F .; и другие. (Июль 2012 г.). «Свидетельства того, что частица, рожденная в связи со слабыми бозонами и распадающаяся на пару нижний антидонный кварк, в поисках бозона Хиггса на Тэватроне». Письма с физическими проверками. 109 (7): 071804. arXiv:1207.6436. Bibcode:2012ПхРвЛ.109г1804А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.109.071804. PMID  23006359. Получено 2 августа, 2012.
  22. ^ Ребекка Бойл (2 июля 2012 г.). «Дразнящие признаки бозона Хиггса, обнаруженные американским коллайдером Тэватрон». Популярная наука. Получено 7 июля, 2012.
  23. ^ Сотрудничество с CMS (31 июля 2012 г.). «Наблюдение нового бозона с массой 125 ГэВ в эксперименте CMS на LHC». Письма по физике B. 716 (2012): 30–61. arXiv:1207.7235. Bibcode:2012ФЛБ..716 ... 30С. Дои:10.1016 / j.physletb.2012.08.021.
  24. ^ Коллаборация ATLAS (31 июля 2012 г.). «Наблюдение новой частицы в поисках стандартной модели бозона Хиггса с помощью детектора ATLAS на LHC». Письма по физике B. 716 (2012): 1–29. arXiv:1207.7214. Bibcode:2012ФЛБ..716 .... 1А. Дои:10.1016 / j.physletb.2012.08.020.
  25. ^ Это было землетрясение? Спросите Теватрона
  26. ^ Теватрон видит землетрясение на Гаити

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Координаты: 41 ° 49′55 ″ с.ш. 88 ° 15′07 ″ з.д. / 41,832 ° с.ш.88,252 ° з. / 41.832; -88.252