Tevatron

Tevatron sau Tevatron ( ing.  Tevatron ) este un accelerator- colizionator inel situat în Laboratorul Național de Accelerator. Enrico Fermi din Batavia, Illinois , lângă Chicago . Tevatronul este un sincrotron care a făcut posibilă accelerarea particulelor încărcate - protoni și antiprotoni într-un inel subteran de 6,3 km lungime până la o energie de 980 GeV (~ 1 TeV ) , de unde mașina și-a primit numele - Tevatron [1] . Construcția Tevatronului a fost finalizată în 1983 , costul construcției a fost de aproximativ 120 de milioane de dolari , de atunci Tevatronul a suferit mai multe upgrade-uri. Cea mai mare a fost construcția injectorului principal , care a fost realizat timp de 5 ani ( 1994 - 1999 ). Până în 1994, fiecare fascicul de accelerație avea o energie de 900 GeV . Acceleratorul și-a încheiat activitatea în 2011, după 28 de ani de funcționare. Este a doua cea mai mare energie de coliziune a particulelor din lume, după LHC .

Istoria creației și funcționării

La 1 decembrie 1968 a fost începută crearea unui accelerator liniar (linac). Construcția clădirii principale de accelerare și a inelului principal de accelerare de 6,4 km a început la 3 octombrie 1969 sub conducerea lui Robert Wilson , fondatorul și primul director al Fermilab . Linac-ul de 200 MeV a intrat în funcțiune la 1 decembrie 1970, iar amplificatorul de 8 GeV până la 20 mai 1971. La 30 iunie 1971, un fascicul de protoni de 7 GeV a trecut prin toate secțiunile acceleratorului, inclusiv inelul principal, pentru prima data.

La 22 ianuarie 1972, energia de coliziune a fost crescută la 20 GeV, urmată de o creștere la 53 GeV (4 februarie) și la 100 GeV (11 februarie). La 1 martie 1972, a fost obținut pentru prima dată un fascicul de protoni cu o energie de proiectare de 200 GeV, care până la sfârșitul anului 1973 a fost mărită la 300 GeV.

La 14 mai 1976, energia fasciculului de protoni era de 500 GeV, ceea ce a făcut posibilă introducerea unei noi scale de energie TeV (1 TeV = 1000 GeV), în timp ce Super-sincrotronul de protoni care opera în Europa la acea vreme furniza o energie de 400 GeV. .

Pe 15 august 1977, vechii magneți cu inel principal din cupru au fost înlocuiți cu cei supraconductori.

Energia fasciculului de 800 GeV (puțin mai târziu - 900 GeV) a fost atinsă pe 16 februarie 1984, ceea ce a permis ulterior implementarea coliziunilor proton-antiproton cu o energie de 1,8 TeV până la 30 noiembrie 1986.

În 1993, după 6 ani de funcționare, injectorul principal a fost înlocuit cu un inel de accelerație, care a costat 290 de milioane de dolari. Ca urmare, până la 1 martie 2001, energia fasciculului a ajuns la 980 GeV.

Pe 16 iulie 2004, Tevatron a atins o luminozitate record la acel moment , care a crescut ulterior de mai multe ori și a atins o valoare de 4×10 32 cm −1 s −1 .

Până la sfârșitul anului 2011, Large Hadron Collider a atins o luminozitate de 3,65 × 10 33 cm −1 s −1 (de 9 ori mai mare) la o energie a fasciculului de 3,5 TeV (3,6 ori mai mare) și, prin urmare, fizicienii au trecut la atenția principală. LHC. Tevatronul relativ învechit nu a primit suficientă finanțare pentru a prelungi lucrarea [2] și pe 30 septembrie 2011 la 15:30 Ora de Est a Americii de Nord ( 1 octombrie la 01:30 MSK ) acceleratorul a fost oprit, după ce își finalizase lucrările. Pentru ceremonia de oprire a acceleratorului au fost instalate două butoane - unul roșu, care oprește alimentarea cu protoni și antiprotoni către accelerator și unul albastru, care oprește alimentarea Tevatronului. Apăsarea butoanelor a fost încredințată fizicianului Helen Edwards [ 3] [ 4] . 

Compoziția complexului accelerator Tevatron

Accelerația particulelor în Tevatron are loc în mai multe etape. În prima etapă, pre-acceleratorul de 750 keV (un accelerator electrostatic bazat pe un generator Cockcroft-Walton ) accelerează ionii de hidrogen încărcați negativ. Apoi, ionii zboară printr- un accelerator liniar de 150 de metri (linac), accelerând particulele cu un câmp electric alternativ la o energie de 400 MeV . Ionii trec apoi prin folia de carbon, pierzând în întregime electroni , dar păstrând energia cinetică; protonii care trec prin folie intră în rapel.

Booster  este un mic accelerator magnetic inel. Protonii zboară aproximativ 20.000 de cercuri în acest accelerator și dobândesc o energie de aproximativ 8 GeV . Din booster, particulele intră în injectorul principal , care îndeplinește mai multe sarcini. Accelerează protoni până la 150 GeV , produce protoni de 120 GeV pentru a produce antiprotoni și accelerează și antiprotoni până la 150 GeV. Ultima sa sarcină este injectarea de protoni și antiprotoni în inelul principal de accelerare al Tevatronului. Antiprotonii sunt produși în așa-numita sursă de antiprotoni , unde protonii de 120 GeV bombardează o țintă staționară de nichel . Ca rezultat, se nasc un număr mare de particule de diferite tipuri, inclusiv antiprotoni, care se acumulează și se răcesc în inelul de stocare. Antiprotonii sunt apoi injectați în injectorul principal.

Tevatron accelerează protonii și antiprotonii până la o energie de 980 GeV , care este de 1000 de ori mai mare decât masa lor, în timp ce viteza diferă foarte puțin de viteza luminii. Tevatronul este o mașină de tip colider . Aceasta înseamnă că protonii și antiprotonii zboară în direcții opuse și se ciocnesc în mai multe puncte ale inelului de accelerare în care se află detectoarele de particule. În total, 2 detectoare sunt instalate în tunelul Tevatron - CDF și D0 . Pentru a menține particulele în canalul acceleratorului, se folosesc magneți dipol supraconductori , răciți la temperatura heliului lichid . Magneții creează un câmp magnetic de 4,2 Tesla .

Cele mai importante descoperiri făcute în experimente la acceleratorul Tevatron

• Pe 2 martie 1995, colaborările CDF și D0 au anunțat descoperirea ultimului cuarc al Modelului Standard  , t-quark [5] , în 2007 precizia de măsurare a masei sale a atins 1%.
• Pe 18 noiembrie 1996, colaborarea E866 a anunțat producerea a 7 atomi de antihidrogen , ulterior numărul de atomi obținuți a crescut la câteva sute [6] . Scopul experimentului este de a studia spectrul de antihidrogen și de a-l compara cu spectrul de hidrogen .
• Pe 5 martie 1998 a fost anunțată descoperirea unui mezon format din - și - cuarci [7] .
• La 1 martie 1999, a fost anunțată descoperirea unui alt tip de încălcare a CP în studiul dezintegrarii kaonilor neutri ( experiment KTeV ) [8] .
• Pe 20 iulie 2000, un comunicat de presă al Fermilab a anunțat că experimentul DOnuT a detectat pentru prima dată direct neutrini tau care au interacționat cu nucleele atomilor de fier pentru a forma leptoni tau . Experimentele anterioare pentru detectarea neutrinilor tau au fost indirecte [9] .
• Pe 25 septembrie 2006, colaborarea CDF a prezentat prima observație a oscilațiilor în sistemul mesonilor B s [10] [11] .
• Pe 23 octombrie 2006, colaborarea CDF a anunțat descoperirea - și - barionilor [12] [11] .
• În 2007, colaborarea a raportat observarea unui -barion [11] .
• În 2008, colaborarea CDF a anunțat descoperirea unui eveniment anormal. Nașterea muonilor a avut loc la o distanță considerabilă de punctul de coliziune al fasciculelor protoni-antiprotoni [13] , ceea ce poate fi o consecință a nașterii unei noi particule, care ulterior se descompune în muoni [14] . Colaborarea D0 nu a confirmat acest lucru [15] .
• În 2009 (conform altor surse [16] , 3 septembrie 2008 ), colaborarea a raportat observarea unui -barion [11] .
• La 9 martie 2009, colaborările CDF și D0 au raportat înregistrarea evenimentelor de producție de un singur t-quark [17] .
• La 17 martie 2009, a fost anunțată înregistrarea unei noi particule elementare Y(4140) , a cărei dezintegrare într-un mezon J/ψ și un mezon Phi nu este descrisă în cadrul modelului standard [18] [ 18]. 19] . Pe 15 noiembrie 2012, colaborarea CMS care lucrează la LHC a anunțat confirmarea observării acestei particule cu o semnificație statistică mai mare de 5σ [20] [21] .
• În 2009, colaborarea CDF a anunțat înregistrarea unui vârf anormal în timpul studiului energiilor perechilor electron- pozitroni produse în regiunea de 240 GeV , ceea ce poate indica înregistrarea unei noi particule elementare. Nu există nicio confirmare a descoperirii în alte surse [22] .
• În 2010, colaborarea CDF a anunțat descoperirea unei asimetrii între distribuțiile unghiulare ale quarcilor de top produse și ale quarcilor anti-top, care diferă cu 3,4σ de predicțiile Modelului Standard [23] . În 2011, colaborarea D0, după prelucrarea datelor cu statistici de 5,4 fb −1 , a confirmat existența efectului descoperit [24] . Asimetria măsurată este de 19,6±6,5%, în timp ce previziunile teoretice sunt de aproximativ 5%. La proton-proton LHC (spre deosebire de proton-antiproton Tevatron), nu se observă o astfel de asimetrie [25] . În prezent, nu există explicații teoretice pentru efectul observat.

• În aprilie 2011, colaborarea CDF a anunțat prezența unui vârf anormal în regiunea masei invariante a două jeturi de hadron de 140–150 GeV („anomalie Wjj”), care apare în timpul nașterii unui boson W și este neprevăzute în cadrul modelului standard. Vârful rezultat poate corespunde unei noi particule (care nu este un boson Higgs ), unei noi interacțiuni fundamentale (particula poate fi bosonul său ipotetic) sau poate fi rezultatul unei erori sistematice în măsurarea energiilor jeturilor. Rezultatele obținute trebuie verificate din nou [26] [27] , nu există încă o interpretare clară a „descoperirii” [28] . Publicate în mai 2011, datele obținute pe statistici mai mari confirmă existența unui vârf anormal cu o semnificație statistică apropiată de 5σ [29] . În iunie 2011, colaborarea D0 a publicat o lucrare în care prezența unui vârf anormal nu a fost confirmată [30] . În august 2012, colaborarea CMS care lucrează la LHC a publicat o lucrare care, de asemenea, nu confirmă observarea vârfului anormal [31] [32] .
• Pe 20 iunie 2011, colaborarea CDF a raportat observarea (la un nivel de semnificație statistică de 7σ) a 25 de evenimente ale nașterii unei noi particule elementare, barionul, prezisă în cadrul Modelului Standard și constând din s- , b- și u-quarci [11] [33] .
• Pe 2 iulie 2012, colaborările CDF și D0 au anunțat că, pe baza unei analize a 500 de trilioane de coliziuni efectuate începând cu 2001, masa bosonului Higgs este între 115 și 135 GeV [34] [35] . Semnificația statistică a caracteristicilor observate a fost de 2,9σ. Analiza finală a datelor Tevatron nu ne-a permis să facem o concluzie finală despre descoperirea bosonului Higgs [36] [37] . Două zile mai târziu, pe 4 iulie 2012, datele de la detectoarele LHC au indicat cu mare probabilitate existența unei noi particule în domeniul energetic 125,3 ± 0,4 GeV ( CMS ) [38] și 126 ± 0,4 GeV ( ATLAS ) [39] , care corespundea datelor obținute de Tevatron.
• În aprilie 2022, fizicienii de la colaborarea internațională CDF , în studiul lor, realizat pe baza datelor de prelucrare din 10 ani de funcționare a colizionatorului Tevatron, au demonstrat că masa bosonului W este cu 0,09% mai mare decât cea prevăzută de modelul standard [40] [41] .

Patrimoniul științific

În septembrie 2014, a început să apară principala revizuire a rezultatelor științifice ale coliderului [42] .

Vezi și

• LEP
• Large Hadron Collider (LHC)
• Bevatron
• Zevatron

Note

1. ↑ FERMILAB-TM-0763 Wilson, R. R. Fermilab, The Tevatron, 1978. . Data accesului: 29 ianuarie 2008. Arhivat din original pe 3 martie 2016. (nedefinit)
2. ↑ Pavel Kotlyar. SUA oprește Tevatronul . Infox.ru (11 ianuarie 2011). Data accesului: 13 ianuarie 2011. Arhivat din original pe 3 martie 2012. (Rusă)
3. ↑ Al doilea cel mai puternic accelerator din lume, Tevatron, și-a încheiat activitatea , Lenta.ru (1 octombrie 2011). Arhivat din original pe 2 octombrie 2011. Preluat la 1 octombrie 2011.
4. ↑ Elemente - știri științifice: Tevatron și-a finalizat munca.
5. ↑ Comunicat de presă Top Quark (Istoric) Arhivat 13 octombrie 2011 la Wayback Machine  - Fermilab
6. ^ Fermilab Antihydrogen Experiment Fișă Arhivată 21 octombrie 2011 la Wayback Machine .
7. ↑ Sursa . Consultat la 3 octombrie 2011. Arhivat din original pe 17 octombrie 2011. (nedefinit)
8. ↑ Fizicienii FERMILAB găsesc o nouă asimetrie materie-antimaterie Arhivat 21 octombrie 2011 la Wayback Machine .
9. ↑ Fizicienii găsesc prima dovadă directă pentru Tau Neutrino la Fermilab Arhivat 20 octombrie 2016 la Wayback Machine .
10. ↑ CDF B_s . Consultat la 3 octombrie 2011. Arhivat din original pe 7 noiembrie 2015. (nedefinit)
11. ↑ 1 2 3 4 5 Experimentul Fermilab descoperă o rudă grea a neutronului Arhivat 28 septembrie 2011 la Wayback Machine  - Fermilab. 20 iulie 2011
12. ↑ Experimentatorii de la Fermilab descoperă rude exotice ale protonilor și neutronilor Arhivat 18 septembrie 2011 la Wayback Machine .
13. ↑ Colaborarea CDF (2008), Study of multi-muon events produced in p-pbar collisions at sqrt(s)=1.96 TeV, arΧiv : 0810.5357 [hep-ex]. 
14. ↑ Detectorul CDF a detectat un fenomen care nu poate fi explicat în cadrul Modelului Standard Arhivat 9 iunie 2009 la Wayback Machine  - Elements.ru
15. ↑ Mark RJ Williams în numele colaborării D0. Căutați producția de dimuoni în exces în regiunea radială 1,6 < r ≲10 cm la experimentul D0 // PoS EPS-HEP2009:248. — 2009.
16. ↑ DZero Omega-sub-b Arhivat 5 septembrie 2008 la Wayback Machine (comunicat de presă)
17. ↑ Experimentele cu colisionarul Fermilab descoperă un singur quark top rar Arhivat 12 noiembrie 2011 la Wayback Machine .
18. ↑ Particule ciudate create; Poate rescrie cum se face materia . Consultat la 18 noiembrie 2012. Arhivat din original la 15 octombrie 2012. (nedefinit)
19. ↑ Colaborarea Belle. Dovezi pentru o nouă rezonanță și căutarea Y(4140) în procesul γγ→ϕJ/ψ // Phys. Rev. Let.. - 2010. - Vol. 104. - S. 112004. - doi : 10.1103/PhysRevLett.104.112004 .
20. ↑ Noua structură asemănătoare particulelor confirmată la LHC Arhivată 21 noiembrie 2012 la Wayback Machine  - revista simetrie
21. ↑ PhysicsResultsBPH11026 < CMSPublic < TWiki . Consultat la 19 noiembrie 2012. Arhivat din original la 24 octombrie 2017. (nedefinit)
22. ↑ Fizica - Descifrarea unei denivelări în spectru Arhivat 2 aprilie 2009 la Wayback Machine .
23. ↑ Colaborarea CDF. Dovezi pentru o asimetrie înainte-înapoi dependentă de masă în producția de perechi de quarci de top // Fizica. Rev. D. - 2011. - Vol. 83. - S. 112003. - doi : 10.1103/PhysRevD.83.112003 .
24. ↑ Selectați Sistem de autentificare . Preluat la 26 iulie 2011. Arhivat din original la 21 octombrie 2011. (nedefinit)
25. ↑ Elements Science News: Detectorul CMS nu confirmă o asimetrie puternică găsită la Tevatron Arhivat pe 12 septembrie 2011 la Wayback Machine .
26. ↑ Fermilab Today. Vârful de date care provoacă entuziasm. . Consultat la 9 aprilie 2011. Arhivat din original pe 10 aprilie 2011. (nedefinit)
27. ↑ Colaborarea CDF. Distribuția invariantă de masă a perechilor de jeturi produse în asociere cu un boson W în pp̅ Coliziuni la √ s =1,96 TeV // Fiz. Rev. Let.. - 2011. - Vol. 106. - P. 171801. - doi : 10.1103/PhysRevLett.106.171801 .
28. ↑ Elements - știri științifice: Rezultatul recent Tevatron nu a stârnit prea mult entuziasm în rândul fizicienilor Arhivat 10 mai 2013 la Wayback Machine .
29. ↑ Elemente - știri științifice: anomalia Wjj detectată la Tevatron s-a intensificat. (link indisponibil) . Preluat la 31 mai 2011. Arhivat din original la 21 noiembrie 2011. (nedefinit) 
30. ↑ Studiul distribuției invariante a masei dijet în stările finale ppbar-->W(-->lv)+jj la sqrt(s)=1.96 TeV . Consultat la 11 iunie 2011. Arhivat din original pe 13 iunie 2011. (nedefinit)
31. ↑ Anomalia Wjj este anulată Arhivat 28 august 2012 la Wayback Machine  - Elements.ru
32. ↑ Colaborarea CMS. Studiul spectrului de masă Dijet în pp → W + jeturi Evenimente la √ s = 7 TeV // Fiz. Rev. Let.. - 2012. - Vol. 109. - P. 251801. - doi : 10.1103/PhysRevLett.109.251801 .
33. ↑ Experimentul Fermilab descoperă o rudă grea a neutronului. . Consultat la 3 octombrie 2011. Arhivat din original pe 22 septembrie 2011. (nedefinit)
34. ↑ Combinația actualizată a căutărilor CDF și DØ pentru producția de boson Higgs model standard cu până la 10,0 fb-1 de date . Grupul de lucru Tevatron New Phenomena & Higgs (iunie 2012). Preluat la 2 august 2012. Arhivat din original la 10 aprilie 2016. (nedefinit)
35. ↑ Dovezi pentru o particulă produsă în asociere cu bosoni slabi și care se descompun într-o pereche de quarci fund-antibottom în căutările bosonului Higgs la Tevatron . Grupul de lucru Tevatron New Phenomena & Higgs (iulie 2012). Preluat la 2 august 2012. Arhivat din original la 21 septembrie 2015. (nedefinit)
36. ↑ Oamenii de știință Tevatron își anunță rezultatele finale asupra particulei Higgs . Laboratorul Național Accelerator Fermi (2 iulie 2012). Consultat la 7 iulie 2012. Arhivat din original la 21 octombrie 2016. (nedefinit)
37. ↑ Rebecca Boyle. Semne atrăgătoare ale bosonului Higgs găsite de Tevatron Collider din SUA . Popular Science (2 iulie 2012). Consultat la 7 iulie 2012. Arhivat din original pe 15 februarie 2016. (nedefinit)
38. ↑ Colaborare CMS (31 iulie 2012), Observarea unui nou boson la o masă de 125 GeV cu experimentul CMS la LHC, arΧiv : 1207,7235 . 
39. ↑ Colaborarea ATLAS (31 iulie 2012), Observarea unei noi particule în căutarea modelului standard de boson Higgs cu detectorul ATLAS la LHC, arΧiv : 1207.7214 . 
40. ↑ Sursa . Preluat la 4 iunie 2022. Arhivat din original la 13 aprilie 2022. (nedefinit)
41. ↑ Măsurătorile masei bosonului W nu s-au potrivit cu modelul standard / Sudo Null IT News . Preluat la 4 iunie 2022. Arhivat din original la 28 aprilie 2022. (nedefinit)
42. ↑ A apărut o prezentare generală a rezultatelor științifice ale Tevatronului. . Data accesului: 29 ianuarie 2016. Arhivat din original pe 2 aprilie 2015. (nedefinit)

Link -uri

• Starea Tevatron live
• Cronologia celor mai importante evenimente de la Tevatron
• Programul de coliziune Sliwa K. Tevatron — fizică, rezultate, viitor? // Acta physica polonica B. - 2011. - T. 42 . - S. 1625-1644 .
• Trăiască Tevatronul
• Holmes, SD (2011), Remembering the Tevatron: The Machine(s), arΧiv : 1109.2937v1 .