Tevatron

Tevatron eller Tevatron ( eng.  Tevatron ) är en ringaccelerator- kolliderare som finns i National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi i Batavia, Illinois , nära Chicago . Tevatronen är en synkrotron som gjorde det möjligt att accelerera laddade partiklar - protoner och antiprotoner i en underjordisk ring 6,3 km lång upp till en energi på 980 GeV (~ 1 TeV ) , därav fick maskinen sitt namn - Tevatronen [1] . Konstruktionen av Tevatron slutfördes 1983 , kostnaden för konstruktionen var cirka 120 miljoner dollar , sedan dess har Tevatron genomgått flera uppgraderingar. Den största var konstruktionen av huvudinjektorn , som utfördes i 5 år ( 1994 - 1999 ). Fram till 1994 hade varje stråle i acceleratorn en energi på 900 GeV . Acceleratorn avslutade sitt arbete 2011 efter 28 års drift. Det är världens näst största partikelkollisionsenergi efter LHC .

Historik om skapande och drift

Den 1 december 1968 påbörjades skapandet av en linjäraccelerator (linac). Konstruktionen av den huvudsakliga accelerationsbyggnaden och den 6,4 km långa accelerationsringen började den 3 oktober 1969 under ledning av Robert Wilson , grundare och första direktör för Fermilab . 200 MeV linac togs i drift den 1 december 1970 och 8 GeV booster den 20 maj 1971. Den 30 juni 1971 passerade en 7 GeV protonstråle genom alla sektioner av acceleratorn, inklusive huvudringen, för första gången.

Den 22 januari 1972 ökades kollisionsenergin till 20 GeV, följt av en ökning till 53 GeV (4 februari) och till 100 GeV (11 februari). Den 1 mars 1972 erhölls för första gången en stråle av protoner med en designenergi på 200 GeV, som i slutet av 1973 ökades till 300 GeV.

Den 14 maj 1976 var protonstråleenergin 500 GeV, vilket gjorde det möjligt att införa en ny TeV-energiskala (1 TeV = 1000 GeV), medan Proton Super Synchrotron som var verksam i Europa vid den tiden gav en energi på 400 GeV .

Den 15 augusti 1977 ersattes de gamla huvudringmagneterna i koppar med supraledande.

Strålenergin på 800 GeV (något senare - 900 GeV) nåddes den 16 februari 1984, vilket senare möjliggjorde implementeringen av proton-antiprotonkollisioner med en energi på 1,8 TeV den 30 november 1986.

1993, efter 6 års drift, ersattes huvudinjektorn med en accelererande ring, som kostade 290 miljoner dollar. Som ett resultat nådde strålenergin 980 GeV den 1 mars 2001.

Den 16 juli 2004 uppnådde Tevatron en rekordljusstyrka vid den tiden , som därefter ökade flera gånger och nådde ett värde på 4×10 32 cm −1 s −1 .

I slutet av 2011 nådde Large Hadron Collider en ljusstyrka på 3,65 × 10 33 cm −1 s −1 (9 gånger högre) vid en strålenergi på 3,5 TeV (3,6 gånger högre), och därför bytte de viktigaste uppmärksamhetsfysikerna till LHC. Den relativt föråldrade Tevatronen fick inte tillräckligt med finansiering för att förlänga arbetet [2] och den 30 september 2011 kl. 15:30 nordamerikansk östlig tid ( 1 oktober kl. 01:30 MSK ) stoppades acceleratorn efter att ha avslutat sitt arbete. För acceleratorstoppceremonin installerades två knappar - en röd, som stoppar tillförseln av protoner och antiprotoner till acceleratorn, och en blå, som stänger av strömförsörjningen till Tevatron. Att trycka på knapparna anförtroddes fysikern Helen Edwards [ 3] [ 4] . 

Sammansättning av Tevatron-acceleratorkomplexet

Partikelacceleration i Tevatron sker i flera steg. I det första steget accelererar 750 - keV föracceleratorn (en elektrostatisk accelerator baserad på en Cockcroft-Walton-generator ) de negativt laddade vätejonerna. Sedan flyger jonerna genom en 150 meter lång linjär accelerator (linac), och accelererar partiklarna med ett växlande elektriskt fält till en energi på 400 MeV . Jonerna passerar sedan genom kolfolien, förlorar elektroner helt , men behåller kinetisk energi; protoner som passerar genom folien kommer in i boostern.

Booster  är en magnetisk accelerator med liten ring. Protonerna flyger omkring 20 000 cirklar i denna accelerator och får en energi på omkring 8 GeV . Från boostern kommer partiklar in i huvudinjektorn , som utför flera uppgifter. Den accelererar protoner till 150 GeV , producerar 120 GeV- protoner för att producera antiprotoner och accelererar också antiprotoner till 150 GeV. Dess sista uppgift är att injicera protoner och antiprotoner i Tevatrons huvudaccelererande ring. Antiprotoner föds i den så kallade antiprotonkällan , där energiprotonerna på 120 GEV bombarderar ett fast nickelmål . Som ett resultat föds ett stort antal partiklar av olika typer, inklusive antiprotoner som ackumuleras och svalnar i den ackumulerande ringen. Antiprotonerna injiceras sedan i huvudinjektorn.

Tevatron accelererar protoner och antiprotoner till en energi på 980 GeV , vilket är 1000 gånger större än deras massa, medan hastigheten skiljer sig väldigt lite från ljusets hastighet. Tevatron är en maskin av typen kollider . Det betyder att protoner och antiprotoner flyger i motsatta riktningar och kolliderar på flera punkter i accelerationsringen där partikeldetektorerna finns. Totalt är 2 detektorer installerade i Tevatron-tunneln - CDF och D0 . För att hålla partiklarna i acceleratorkanalen används supraledande dipolmagneter , kylda till flytande heliums temperatur . Magneterna skapar ett magnetfält på 4,2 Tesla .

De viktigaste upptäckterna som gjorts i experiment med Tevatron-acceleratorn

• Den 2 mars 1995 tillkännagav CDF- och D0- samarbetet upptäckten av den sista kvarken i standardmodellen  , t-kvarken [5] , 2007 nådde noggrannheten för att mäta dess massa 1%.
• Den 18 november 1996 tillkännagav E866- samarbetet produktionen av 7 antiväteatomer , därefter ökade antalet erhållna atomer till flera hundra [6] . Syftet med experimentet är att studera spektrumet av antiväte och jämföra det med spektrumet av väte .
• Den 5 mars 1998 tillkännagavs upptäckten av en meson bestående av - och -kvarkar [7] .
• Den 1 mars 1999 tillkännagavs upptäckten av en annan typ av CP-kränkning i studien av neutrala kaoners förfall ( KTeV-experiment ) [8] .
• Den 20 juli 2000 tillkännagav ett pressmeddelande från Fermilab att DONuT- experimentet för första gången direkt hade upptäckt tau-neutriner som interagerade med järnatomernas kärnor för att bilda tau-leptoner . Tidigare experiment för att upptäcka tau-neutrinos var indirekta [9] .
• Den 25 september 2006 presenterade CDF-samarbetet den första observationen av svängningar i systemet av B s mesoner [10] [11] .
• Den 23 oktober 2006 tillkännagav CDF-samarbetet upptäckten av - och - baryoner [12] [11] .
• År 2007 rapporterade samarbetet om observation av en -baryon [11] .
• 2008 tillkännagav CDF-samarbetet upptäckten av en onormal händelse. Födelsen av myoner ägde rum på ett avsevärt avstånd från kollisionspunkten för proton-antiprotonstrålar [13] , vilket kan vara en konsekvens av födelsen av en ny partikel, som därefter sönderfaller till myoner [14] . D0-samarbetet bekräftade inte detta [15] .
• År 2009 (enligt andra källor [16] , 3 september 2008 ) rapporterade samarbetet om observation av en -baryon [11] .
• Den 9 mars 2009 rapporterade CDF- och D0-samarbetena registrering av enstaka t-quark- produktionshändelser [17] .
• Den 17 mars 2009 tillkännagavs registreringen av en ny elementarpartikel Y(4140) , vars sönderfall till en J/ψ-meson och en Phi-meson inte beskrivs inom ramen för standardmodellen [18] [ 19] . Den 15 november 2012 tillkännagav CMS- samarbetet som arbetar vid LHC en bekräftelse av observationen av denna partikel med en statistisk signifikans på mer än 5σ [20] [21] .
• 2009 tillkännagav CDF-samarbetet registreringen av en onormal topp under en studie av energierna hos elektron -positronpar födda i området 240 GEV , vilket kan indikera registreringen av en ny elementarpartikel. Det finns ingen bekräftelse på upptäckten i andra källor [22] .
• 2010 tillkännagav CDF-samarbetet upptäckten av asymmetri mellan vinkelfördelningen av de ämnen som är födda och anti-tops, vilket skiljer sig från förutsägelserna av standardmodellen 3,4σ [23] . 2011 bekräftade D0-samarbetet efter databehandling med statistik på 5,4 FB −1 förekomsten av den upptäckta effekten [24] . Den uppmätta asymmetrin är 19,6 ± 6,5 % med teoretiska förutsägelser på cirka 5 %. Det finns ingen sådan asymmetri på proton-protonn LHC (till skillnad från proton-antiproton tesimetron ) . Det finns för närvarande inga teoretiska förklaringar till den observerade effekten.

• I april 2011 tillkännagav CDF-samarbetet närvaron av en onormal topp i området med invariant massa av två adronjetstrålar 140-150 GEV ("WJJ-Anomalia"), som inträffar vid födelsen av en W-boson och inte förutspått inom standardmodellen. Den resulterande toppen kan motsvara en ny partikel (inte en Higgs-boson ), en ny fundamental interaktion (en partikel kan vara dess hypotetiska boson), eller är en konsekvens av ett systematiskt fel vid mätning av strålarnas energier. De erhållna resultaten behöver kontrolleras på nytt [26] [27] , det finns ingen entydig tolkning av "upptäckten" ännu [28] . De uppgifter som erhölls i maj 2011 från mer statistik bekräftar förekomsten av en onormal topp med statistisk tillförlitlighet nära 5ir [29] . I juni 2011 publicerade D0-samarbetet arbete där närvaron av en onormal topp inte bekräftades [30] . I augusti 2012 publicerades CMS -samarbetet som arbetar med tanken , vilket inte heller bekräftade observationen av en onormal topp [31] [32] .
• Den 20 juni 2011 rapporterade CDF-samarbetet observationen (vid en statistisk signifikansnivå av 7σ) av 25 händelser av födelsen av en ny elementarpartikel, -baryon, förutspådd inom ramen för standardmodellen och bestående av s- , b- och u-kvarkar [11] [33] .
• Den 2 juli 2012 tillkännagav samarbetet mellan CDF och D0 att enligt resultaten av analysen av 500 biljoner sammandrabbningar som gjorts sedan 2001, är massan av Higgs-bosonen från 115 till 135 GEV [34] [35] . Den statistiska signifikansen för de observerade egenskaperna var 2,9σ. Den slutliga analysen av Tevatron-data tillät inte den slutliga slutsatsen om öppningen av Higgs-bosonen [36] [37] . Två dagar senare, den 4 juli 2012, indikerade data från detektorer med hög sannolikhet förekomsten av en ny partikel i energiområdet 125,3 ± 0,4 GEV ( CMS ) [38] och 126 ± 0,4 GEV ( Atlas ) [39] , som motsvarade uppgifterna från Tevatron.
• I april 2022 visade fysiker från det internationella samarbetet med CDF i sin studie gjord på grundval av databehandling av 10 års arbete med Tevatron-kollideren att massan av W-Bozone är 0,09 % högre än standarden modell förutsäger [40] [41] .

Vetenskapligt arv

I september 2014 började huvudöversikten av de vetenskapliga resultaten av kollideren att släppas [42] .

Se även

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

Anteckningar

1. ↑ FERMILAB-TM-0763 Wilson, R. R. Fermilab, The Tevatron, 1978. . Tillträdesdatum: 29 januari 2008. Arkiverad från originalet 3 mars 2016. (obestämd)
2. ↑ Pavel Kotlyar. USA stoppar Tevatron . Infox.ru (11 januari 2011). Datum för åtkomst: 13 januari 2011. Arkiverad från originalet den 3 mars 2012. (ryska)
3. ↑ Den näst starkaste i världens accelerator Tevatron avslutade arbetet , Lenta.ru (1 oktober 2011). Arkiverad från originalet den 2 oktober 2011. Hämtad 1 oktober 2011.
4. ↑ Elements - vetenskapsnyheter: Tevatron avslutade sitt arbete.
5. ↑ Top Quark Pressmeddelande (historisk) Arkiverad 13 oktober 2011 på Wayback Machine  - Fermilab
6. ↑ Faktablad om Fermilab Antihydrogen Experiment Arkiverad 21 oktober 2011 på Wayback Machine .
7. ↑ Källa . Hämtad 3 oktober 2011. Arkiverad från originalet 17 oktober 2011. (obestämd)
8. ↑ FERMILAB-fysiker hittar ny materia-antimateria-asymmetri Arkiverad 21 oktober 2011 på Wayback Machine .
9. ↑ Fysiker hittar första direkta bevis för Tau Neutrino på Fermilabs arkivexemplar av 20 oktober 2016 på Wayback Machine .
10. ↑ CDF B_s . Hämtad 3 oktober 2011. Arkiverad från originalet 7 november 2015. (obestämd)
11. ↑ 1 2 3 4 5 Fermilab-experiment upptäcker en tung släkting till Neutronarkivet av den 28 september 2011 på Wayback Machine  - Fermilab. 20 juli 2011
12. ↑ Experimenter på Fermilab Upptäck exotiska släktingar till protoner och neutroner Arkivexemplar av 18 september 2011 på Wayback Machine .
13. ↑ CDF-samarbete (2008), Studie av multi-myon-händelser producerade i p-pbar-kollisioner vid sqrt(s)=1,96 TeV, arΧiv : 0810.5357 [hep-ex]. 
14. ↑ CDF-detektor upptäckte ett fenomen som inte går att förklara med standardmodellen Arkivkopia av 9 juni 2009 på Wayback Machine  - Elements.ru
15. ↑ Mark RJ Williams på uppdrag av D0-samarbetet. Sök efter överskottsproduktion av dimuon i den radiella regionen 1,6 < r ≲10 cm vid D0-experimentet // PoS EPS-HEP2009:248. — 2009.
16. ↑ DZero Omega-sub-b Arkiverad 5 september 2008 på Wayback Machine (pressmeddelande)
17. ↑ Fermilab-kolliderexperiment upptäcker sällsynt enkeltoppkvark Arkiverad 12 november 2011 på Wayback Machine .
18. ↑ Konstig partikel skapad; May Rewrite How Matter's Made . Hämtad 18 november 2012. Arkiverad från originalet 15 oktober 2012. (obestämd)
19. ↑ Belle-samarbetet. Bevis för en ny resonans och sökning efter Y(4140) i γγ→ϕJ/ψ-processen // Phys. Varv. Lett.. - 2010. - Vol. 104. - S. 112004. - doi : 10.1103/PhysRevLett.104.112004 .
20. ↑ Ny partikelliknande struktur bekräftad i LHC- arkivexemplaret den 21 november 2012 på Wayback Machine  -Symmetry Magazine
21. ↑ PhysicsResultsBPH11026 < CMSPublic < TWiki . Hämtad 19 november 2012. Arkiverad från originalet 24 oktober 2017. (obestämd)
22. ↑ Fysik - Dechiffrera en bula i spektrumet Arkiverad 2 april 2009 på Wayback Machine .
23. ↑ CDF-samarbete. Bevis för en massberoende asymmetri framåt och bakåt i produktion av toppkvarkpar // Phys. Varv. D. - 2011. - Vol. 83. - S. 112003. - doi : 10.1103/PhysRevD.83.112003 .
24. ↑ Välj Autentiseringssystem . Hämtad 26 juli 2011. Arkiverad från originalet 21 oktober 2011. (obestämd)
25. ↑ element - vetenskapsnyheter: CMS-detektor bekräftar inte den starka asymmetri som finns på Tevatrons arkivkopia av den 12 september 2011 på Wayback Machine .
26. ↑ Fermilab idag. Datatoppen som orsakar spänning. . Hämtad 9 april 2011. Arkiverad från originalet 10 april 2011. (obestämd)
27. ↑ CDF-samarbete. Invariant massfördelning av jetpar producerade i förening med ett W -boson i pp̅ Kollisioner vid √ s =1,96 TeV // Phys. Varv. Lett.. - 2011. - Vol. 106. - P. 171801. - doi : 10.1103/PhysRevLett.106.171801 .
28. ↑ element - vetenskapsnyheter: det senaste resultatet av Tevatron orsakade inte fysiker någon speciell entusiasm av arkivexemplaret av 10 maj 2013 på Wayback Machine .
29. ↑ Elements - vetenskapsnyheter: Wjj-anomali upptäckt vid Tevatron har intensifierats. (inte tillgänglig länk) . Hämtad 31 maj 2011. Arkiverad från originalet 21 november 2011. (obestämd) 
30. ↑ Studie av den dijet-invarianta massfördelningen i ppbar-->W(-->lv)+jj sluttillstånd vid sqrt(s)=1,96 TeV . Hämtad 11 juni 2011. Arkiverad från originalet 13 juni 2011. (obestämd)
31. ↑ Wjj anomali avbröt arkivexemplaret av 28 augusti 2012 på Wayback  Machine-Elements.ru
32. ↑ CMS-samarbete. Studie av Dijet-masspektrumet i pp → W + jets Händelser vid √ s = 7 TeV // Phys. Varv. Lett.. - 2012. - Vol. 109. - P. 251801. - doi : 10.1103/PhysRevLett.109.251801 .
33. ↑ Fermilab-experimentet upptäcker en tung släkting till neutronen. . Hämtad 3 oktober 2011. Arkiverad från originalet 22 september 2011. (obestämd)
34. ↑ Uppdaterad kombination av CDF och DØ:s sökningar efter standardmodell Higgs Boson-produktion med upp till 10,0 fb-1 data . Tevatron New Phenomena & Higgs Working Group (juni 2012). Hämtad 2 augusti 2012. Arkiverad från originalet 10 april 2016. (obestämd)
35. ↑ bevis för en partikel producerad i samband med svaga bosoner och sönderfallande till ett botten-antibottenkvarkpar i Higgs bosonsökningar vid Tevatronen . Tevatron New Phenomena & Higgs Working Group (juli 2012). Hämtad 2 augusti 2012. Arkiverad från originalet 21 september 2015. (obestämd)
36. ↑ Tevatron-forskare tillkännager sina slutliga resultat på Higgspartikeln . Fermi National Accelerator Laboratory (2 juli 2012). Hämtad 7 juli 2012. Arkiverad från originalet 21 oktober 2016. (obestämd)
37. ↑ Rebecca Boyle. Spännande tecken på Higgs-boson hittat av US Tevatron Collider . Populärvetenskap (2 juli 2012). Hämtad 7 juli 2012. Arkiverad från originalet 15 februari 2016. (obestämd)
38. ↑ CMS-samarbete (31 juli 2012), Observation av en ny boson vid en massa av 125 GeV med CMS-experimentet vid LHC, arΧiv : 1207.7235 . 
39. ↑ ATLAS-samarbete (31 juli 2012), Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with ATLAS Detector at LHC, arΧiv : 1207.7214 . 
40. ↑ Källa . Hämtad 4 juni 2022. Arkiverad från originalet 13 april 2022. (obestämd)
41. ↑ W-boson massmätningar matchade inte standardmodellen / Sudo Null IT News . Hämtad 4 juni 2022. Arkiverad från originalet 28 april 2022. (obestämd)
42. ↑ En översikt över de vetenskapliga resultaten av Tevatron dök upp. . Tillträdesdatum: 29 januari 2016. Arkiverad från originalet 2 april 2015. (obestämd)

Länkar

• Live Tevatron-status
• Kronologi över de viktigaste händelserna på Tevatron
• Sliwa K. Tevatrons kolliderprogram — fysik, resultat, framtid? // Acta physica polonica B. - 2011. - T. 42 . - S. 1625-1644 .
• Länge leve Tevatronen
• Holmes, SD (2011), Remembering the Tevatron: The Machine(s), arΧiv : 1109.2937v1 .