Теватрон: Америкалық бөлшектер үдеткішінің тарихы

Кіріспе

Теватрон – Иллинойс штатындағы Ферми ұлттық жеделдетуші зертханасында (Фермилаб деп аталады) орналасқан, 1983–2011 жылдары жұмыс істеген америкалық дөңгелек бөлшектерді жеделдететін акселератор. Теватрон, Батавияның шығысында орналасқан, Еуропалық Ұлттық Ядролық Зерттеулер Ұйымының (CERN) Женева қаласының жанында салынған Үлкен Адрондық Коллайдері (LHC) құрылғанға дейін ең жоғары энергиялы бөлшектер коллайдері болды. Теватрон – протон мен антипротонды 1 ТэВ-қа дейін жылдамдатып, осылай ат алған синхротрон. Теватронның құрылысы 1983 жылы 120 миллион долларға аяқталды және 1983–2011 жылдар аралығында оның жұмыс істеу кезеңінде маңызды жаңартулар жасалды. Теватронның ең маңызды жетістігі – 1995 жылы топ кваркінің табылуы, бұл бөлшектер физикасының стандартты моделінде болжанған соңғы фундаментальды фермион. 2012 жылдың 2 шілдесінде Фермилабтың CDF және DØ коллайдерлік эксперименттерінің ғалымдары 2001 жылдан бері Теватрон коллайдерінен алынған шамамен 500 триллион соқтығысудың талдау нәтижелерін жариялады және күдікті Хиггс бозонының болуы 99,8% сенімділікпен өте ықтимал екенін анықтады.

Теватрон бюджеттік қиындықтар мен 2010 жылдың басында жұмысын бастаған, Теватрондан әлдеқайда қуатты LHC аяқталуына байланысты 2011 жылдың 30 қыркүйегінде жұмысын тоқтатты (LHC-дегі жоспарланған энергия – екі 7 ТэВ сәулесі, ал Теватронда – 1 ТэВ). Теватронның негізгі сақинасы болашақ эксперименттерде қайта пайдаланылуы мүмкін, ал оның құралымдық бөліктері басқа бөлшектерді жеделдететін үдеткіштерге берілуі мүмкін.

Тарих

1968 жылдың 1 желтоқсанында сызықтық үдеткіш (линак) құрылысы үшін негіз қаланды. Негізгі үдеткіш қаптамасының құрылысы 1969 жылдың 3 қазанында басталды, сол кезде NAL директоры Роберт Р. Уилсон алғашқы жерді қазды. Бұл 6,3 км шеңберге ие Фермилабтың Негізгі Сақинасы болады. 1981 жылы әдеттегі магниттермен жабдықталған Негізгі Сақина, астына суперөткізгіш магниттер орнату үшін жабылды. Негізгі Сақина 2000 жылға дейін Теватронға бөлшектерді жіберу үшін қолданылды, содан кейін Бас Инжектор Бас Сақинаның батысында аяқталды. "Энергияны екі еселеуші" деп аталған бұл құрылғы 1983 жылдың 3 шілдесінде алғашқы үдетілген сәулесін – 512 ГэВ – шығарды. Оның бастапқы энергиясы 800 ГэВ 1984 жылдың 16 ақпанында қол жеткізілді. 1986 жылдың 21 қазанында Теватрондағы үдету 900 ГэВ-қа дейін жеткізілді, ал 1986 жылдың 30 қарашасында 1,8 ТэВ жылдамдығында алғашқы протон-антипротон соқтығысуы орын алды. Негізгі Инжектор, Негізгі Сақинаны алмастырды, Теватрон коллайдерінің II кезеңі 2001 жылдың 1 наурызында, жаңарту жұмыстары аяқталғаннан кейін басталды. Содан бері сәуле 980 ГэВ энергияны жеткізе алды. 2004 жылдың 16 шілдесінде Теватрон жаңа жарқырау деңгейіне жетіп, ЦЕРН-дегі Еуропалық қиылыс сақтау сақиналарының (ISR) бұрынғы рекордын бұзды. Фермилабтың осы рекорды 2006 жылдың 9 қыркүйегінде екі есеге, 2008 жылдың 17 наурызында үш есеге жуық артты, ал 2010 жылдың 16 сәуірінде 2004 жылғы бұрынғы рекордтан 4 есеге жоғары деңгейге жетті (4 см−2 с−1 дейін). Бустер – бұл кішкентай шеңберлік синхротрон, оның айналасында протондар 8 ГэВ энергиясына жету үшін 20 000 рет айналды. Бустерден бөлшектер 1999 жылы аяқталған Негізгі Инжекторға жіберілді. Ол протондарды 150 ГэВ-қа дейін үдетуге, антипротон жасау үшін 120 ГэВ протондарды өндіруге, антипротон энергиясын 150 ГэВ-қа дейін арттыруға және Теватронға протондар немесе антипротондарды жіберуге қабілетті болды. Антипротондар Антипротон Көзінде жасалды. 120 ГэВ протондар никель нысанасына соқтығысып, антипротондарды қоса алғанда, әртүрлі бөлшектерді шығарды, олар жиналып, Аккумулятор Сақинасында сақталды. Сақина антипротондарды Негізгі Инжекторға жібере алатын болды. Теватрон Негізгі Инжектордан бөлшектерді 980 ГэВ-қа дейін үдетуге қабілетті еді. Протондар мен антипротондар қарама-қарсы бағытта үдетілді, CDF және DØ детекторларында 1,96 ТэВ энергиясында соқтығысты. Бөлшектерді жолға қою үшін Теватрон 774 ниобий-титан суперөткізгіш диполь магниттерін пайдаланды, олар сұйық гелийде салқындатылып, 4,2 Тесла күшін тудырды. Бөлшектер үдетілгенде өріс шамамен 20 секунд бойы күшейді. Сәулені шоғырландыру үшін тағы 240 NbTi төртполярлы магнит қолданылды. 1993 жылдың 27 қыркүйегінде Теватрон үдеткішінің криогендік салқындату жүйесі Америка Механикалық Инженерлер Қоғамы тарапынан Халықаралық тарихи ескерткіш деп танылды. 1978 жылы аяқталғаннан кейін Теватронның суперөткізгіш магниттеріне криогенді сұйық гелийді жеткізген бұл жүйе әлемдегі ең ірі төмен температуралық жүйе болды. Ол бөлшектер сәулесін иілдіріп, шоғырландыратын магниттердің орамдарын суперөткізгіш күйде ұстады, осылайша олардың қалыпты температурада қажет болатын қуаттың ⅓ бөлігін ғана тұтынуын қамтамасыз етті.

December 1, 1968, saw the breaking of ground for the linear accelerator (linac). The construction of the Main Accelerator Enclosure began on October 3, 1969, when the first shovel of earth was turned by Robert R. Wilson, NAL's director. This would become the 6.3 km circumference Fermilab's Main Ring. The conventional magnet Main Ring was shut down in 1981 for installation of superconducting magnets underneath it. The Main Ring continued to serve as an injector for the Tevatron until the Main Injector was completed west of the Main Ring in 2000. The 'Energy Doubler', as it was known then, produced its first accelerated beam—512 GeV—on July 3, 1983. Its initial energy of 800 GeV was achieved on February 16, 1984. On October 21, 1986, acceleration at the Tevatron was pushed to 900 GeV, providing a first proton–antiproton collision at 1.8 TeV on November 30, 1986. The Main Injector, which replaced the Main Ring, Tevatron collider Run II begun on March 1, 2001, after successful completion of that facility upgrade. From then, the beam had been capable of delivering an energy of 980 GeV. On July 16, 2004, the Tevatron achieved a new peak luminosity, breaking the record previously held by the old European Intersecting Storage Rings (ISR) at CERN. That very Fermilab record was doubled on September 9, 2006, then a bit more than tripled on March 17, 2008, and ultimately multiplied by a factor of 4 over the previous 2004 record on April 16, 2010 (up to 4 cm−2 s−1). The Booster was a small circular synchrotron, around which the protons passed up to 20,000 times to attain an energy of around 8 GeV. From the Booster the particles were fed into the Main Injector, which had been completed in 1999 to perform a number of tasks. It could accelerate protons up to 150 GeV; produce 120 GeV protons for antiproton creation; increase antiproton energy to 150 GeV; and inject protons or antiprotons into the Tevatron. The antiprotons were created by the Antiproton Source. 120 GeV protons were collided with a nickel target producing a range of particles including antiprotons which could be collected and stored in the accumulator ring. The ring could then pass the antiprotons to the Main Injector. The Tevatron could accelerate the particles from the Main Injector up to 980 GeV. The protons and antiprotons were accelerated in opposite directions, crossing paths in the CDF and DØ detectors to collide at 1.96 TeV. To hold the particles on track the Tevatron used 774 niobium–titanium superconducting dipole magnets cooled in liquid helium producing the field strength of 4.2 tesla. The field ramped over about 20 seconds as the particles accelerated. Another 240 NbTi quadrupole magnets were used to focus the beam. On September 27, 1993, the cryogenic cooling system of the Tevatron Accelerator was named an International Historic Landmark by the American Society of Mechanical Engineers. The system, which provided cryogenic liquid helium to the Tevatron's superconducting magnets, was the largest low temperature system in existence upon its completion in 1978. It kept the coils of the magnets, which bent and focused the particle beam, in a superconducting state, so that they consumed only ⅓ of the power they would have required at normal temperatures.

Ашылғандар

Теватрон теориялық бөлшек физикасының болжамдары бойынша бірнеше субатомдық бөлшектердің бар екенін растады немесе олардың болуына қатысты мәліметтер берді. 1995 жылы CDF және DØ эксперименттерінің ынтымақтастықтары жоғарғы кварктың табылуын жариялады, ал 2007 жылы олар оның массасын (172 ГэВ) шамамен 1% дәлдікпен өлшеді. 2006 жылы CDF ынтымақтастығы Bs осцилляцияларын алғаш рет өлшеу және сигма бариондарының екі түрін байқау туралы хабарлады. 2007 жылы DØ және CDF ынтымақтастықтары "Cascade B" Xi барионын тікелей байқауды хабарлады. 2008 жылдың қыркүйегінде DØ ынтымақтастығы өлшенген массасы кварктық модельдің болжамынан айтарлықтай жоғары "қос ерекше" Омега барионын анықтау туралы хабарлады. 2009 жылдың мамырында CDF ынтымақтастығы DØ экспериментінде қолданылған деректер үлгісінен шамамен төрт есе үлкен үлгіні талдау нәтижелерін жариялады. CDF экспериментінен алынған масса өлшемдері 6054,4 құрады және Стандартты модельдің болжамдарымен өте жақсы сәйкес келеді, ал DØ экспериментінен бұрын хабарланған мәнде ешқандай сигнал байқалған жоқ. DØ және CDF-тен алынған екі келіспейтін нәтиже 111 немесе 6,2 стандартты ауытқуға тең. CDF өлшеген масса мен теориялық күту арасындағы өте жақсы сәйкестікке байланысты, CDF анықтаған бөлшектің шынымен де екендігіне күшті дәлел бар. Жақын арада LHC эксперименттерінен алынған жаңа деректер жағдайды түсіндіретіні күтілуде. 2012 жылдың 2 шілдесінде, Үлкен адрондық коллайдерде (LHC) жоспарланған хабарламадан екі күн бұрын, CDF және DØ ынтымақтастықтарынан Tevatron коллайдеріндегі ғалымдар 2001 жылдан бері жасалған шамамен 500 триллион соқтығысуды талдау нәтижелерін жариялады: Олар Хиггс бозонының 115-135 ГэВ аралығындағы массамен болуы мүмкін екенін анықтады. Байқалған белгілердің статистикалық маңыздылығы 2,9 сигманы құрады, яғни егер мұндай қасиеттері бар бөлшек болмаса, осындай шамадағы сигналдың пайда болу ықтималдығы 550-ден 1-ге тең. Алайда, Теватроннан алынған деректерді соңғы талдау Хиггс бөлшегінің бар-жоғын анықтамады. Тек 2012 жылдың 4 шілдесінде Үлкен адрондық коллайдер ғалымдары 125,3 ± 0,4 ГэВ (CMS) немесе 126 ± 0,4 ГэВ (ATLAS) массасымен дәлдікті арттырған кезде ғана, LHC және Tevatron-ның тұрақты өлшемдері арқылы осы массалық диапазонға Хиггс бөлшегінің бар екендігіне берік дәлелдер келтірілді.

The Tevatron confirmed the existence of several subatomic particles that were predicted by theoretical particle physics, or gave suggestions to their existence. In 1995, the CDF experiment and DØ experiment collaborations announced the discovery of the top quark, and by 2007 they measured its mass (172 GeV) to a precision of nearly 1%. In 2006, the CDF collaboration reported the first measurement of Bs oscillations, and observation of two types of sigma baryons. In 2007, the DØ and CDF collaborations reported direct observation of the "Cascade B" Xi baryon. In September 2008, the DØ collaboration reported detection of the , a "double strange" Omega baryon with the measured mass significantly higher than the quark model prediction. In May 2009 the CDF collaboration made public their results on search for based on analysis of data sample roughly four times larger than the one used by DØ experiment. The mass measurements from the CDF experiment were 6054.4 and in excellent agreement with Standard Model predictions, and no signal has been observed at the previously reported value from the DØ experiment. The two inconsistent results from DØ and CDF differ by 111 or by 6.2 standard deviations. Due to excellent agreement between the mass measured by CDF and the theoretical expectation, it is a strong indication that the particle discovered by CDF is indeed the It is anticipated that new data from LHC experiments will clarify the situation in the near future. On July 2, 2012, two days before a scheduled announcement at the Large Hadron Collider (LHC), scientists at the Tevatron collider from the CDF and DØ collaborations announced their findings from the analysis of around 500 trillion collisions produced since 2001: They found that the existence of the Higgs boson was likely with a mass in the region of 115 to 135 GeV. The statistical significance of the observed signs was 2.9 sigma, which meant that there is only a 1 in 550 chance that a signal of that magnitude would have occurred if no particle in fact existed with those properties. The final analysis of data from the Tevatron did however not settle the question of whether the Higgs particle exists. Only when the scientists from the Large Hadron Collider announced the more precise LHC results on July 4, 2012, with a mass of 125.3 ± 0.4 GeV (CMS) or 126 ± 0.4 GeV (ATLAS) respectively, was there strong evidence through consistent measurements by the LHC and the Tevatron for the existence of a Higgs particle at that mass range.

Жер сілкінісіне байланысты тосқауылдар

Тіпті мыңдаған шақырым қашықтықта болған жер сілкінісі магниттердің қозғалысына күшті әсер етіп, бөлшектер шоғының сапасын нашарлатып, тіпті оларды тоқтатуға әкеп соқты. Сондықтан, Tevatron магниттеріне минималды қозғалыстарды бақылау және проблемалардың себебін жылдам анықтау үшін бейімдеуіштер (tiltmeters) орнатылды. Шоқты бұзған алғашқы белгілі жер сілкінісі 2002 жылғы Денели жер сілкінісі болды, ал 2004 жылғы 28 маусымдағы орташа жер сілкінісі тағы бір коллайдерді тоқтатуға себеп болды. Осыдан бері Tevatron-да 20-дан астам жер сілкінісінен туындаған ұсақ сейсмикалық дірілдер анықталды, оның ішінде 2004 жылғы Үнді мұхиты жер сілкінісі, 2005 жылғы Ниас-Симелуэ жер сілкінісі, 2007 жылғы Жаңа Зеландиядағы Гисборн жер сілкінісі, 2010 жылғы Гаити жер сілкінісі және 2010 жылғы Чили жер сілкінісі де бар.