Теватрон: История американского ускорителя частиц

Введение

Теватрон — американский ускоритель частиц в Фермилабе в штате Иллинойс (1983–2011).

Теватрон — круговой ускоритель частиц (действовавший до 2011 года) в Соединенных Штатах, в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (известной как Фермилаб), к востоку от Батавии, штат Иллинойс. Он был самым высокоэнергетическим коллайдером частиц до строительства Большого адронного коллайдера (LHC) Европейской организации ядерных исследований (CERN) вблизи Женевы, Швейцария. Теватрон представлял собой синхротрон, который ускорял протоны и антипротоны в кольцеобразной траектории до энергий до 1 ТэВ, отсюда и его название. Теватрон был завершен в 1983 году стоимостью 120 миллионов долларов, и в течение его активного периода (1983–2011) были сделаны значительные инвестиции в модернизацию. Главным достижением Теватрона стало открытие в 1995 году топ-кварка — последнего фундаментального фермиона, предсказанного Стандартной моделью физики частиц. 2 июля 2012 года ученые коллабораций CDF и DØ в Фермилабе объявили о результатах анализа около 500 триллионов столкновений, зарегистрированных коллайдером Теватрон с 2001 года, и пришли к выводу, что существование подозрительного бозона Хиггса весьма вероятно с доверительной вероятностью 99,8%.

Теватрон прекратил работу 30 сентября 2011 года из-за сокращения бюджета и в связи с завершением строительства LHC, который начал работу в начале 2010 года и обладает значительно большей мощностью (планируемая энергия LHC — два пучка по 7 ТэВ, в то время как у Теватрона — 1 ТэВ). Основное кольцо Теватрона, вероятно, будет повторно использовано в будущих экспериментах, а его компоненты могут быть переданы другим ускорителям частиц.

История

1 декабря 1968 года был произведен первый копание под линейный ускоритель (Linac). Строительство корпуса Главного ускорителя началось 3 октября 1969 года, когда Роберт Р. Уилсон, директор NAL, перевернул первую лопату земли. Так было положено начало созданию Главного кольца Fermilab с окружностью 6,3 км. Традиционное магнитное Главное кольцо было остановлено в 1981 году для установки сверхпроводящих магнитов под ним. Главное кольцо продолжало использоваться в качестве инжектора для Теватрона до завершения строительства Главного инжектора к западу от Главного кольца в 2000 году. «Удвоитель энергии», как его тогда называли, 3 июля 1983 года произвел свой первый ускоренный пучок — 512 ГэВ. Его начальная энергия 800 ГэВ была достигнута 16 февраля 1984 года. 21 октября 1986 года ускорение на Теватроне было увеличено до 900 ГэВ, что позволило осуществить первое столкновение протонов и антипротонов при 1,8 ТэВ 30 ноября 1986 года. Главный инжектор, пришедший на смену Главному кольцу, начал работу на коллайдере Теватрон 1 марта 2001 года после успешного завершения модернизации этого объекта. С тех пор пучок был способен обеспечивать энергию 980 ГэВ. 16 июля 2004 года Теватрон достиг нового пика светимости, превзойдя рекорд, ранее принадлежавший старым европейским кольцам пересекающихся накопителей (ISR) в ЦЕРНе. Этот рекорд был удвоен 9 сентября 2006 года, затем немного более чем утроен 17 марта 2008 года и, в конечном итоге, увеличен в 4 раза по сравнению с предыдущим рекордом 2004 года 16 апреля 2010 года (до 4 см−2 с−1). Бустер представлял собой небольшой циклический синхротрон, вокруг которого протоны проходили до 20 000 раз для достижения энергии около 8 ГэВ. Из Бустера частицы направлялись в Главный инжектор, который был завершен в 1999 году для выполнения ряда задач. Он мог ускорять протоны до 150 ГэВ; производить 120 ГэВ протонов для создания антипротонов; увеличивать энергию антипротонов до 150 ГэВ; и вводить протоны или антипротоны в Теватрон. Антипротоны создавались Антипротонным источником. Протоны с энергией 120 ГэВ сталкивались с никелевой мишенью, в результате чего образовывался ряд частиц, включая антипротоны, которые можно было собирать и хранить в накопительном кольце. Кольцо могло передавать антипротоны в Главный инжектор. Теватрон мог ускорять частицы из Главного инжектора до 980 ГэВ. Протоны и антипротоны ускорялись в противоположных направлениях, пересекаясь в детекторах CDF и DØ для столкновения при 1,96 ТэВ. Для удержания частиц на траектории в Теватроне использовалось 774 ниобий-титановых сверхпроводящих дипольных магнита, охлаждаемых жидким гелием, создающих напряженность поля 4,2 Тесла. Поле нарастало примерно за 20 секунд по мере ускорения частиц. Для фокусировки пучка использовалось еще 240 квадрупольных магнитов NbTi. 27 сентября 1993 года система криогенного охлаждения ускорителя Теватрон была признана Международным историческим памятником Американским обществом инженеров-механиков. Эта система, обеспечивавшая криогенным жидким гелием сверхпроводящие магниты Теватрона, была крупнейшей низкотемпературной системой, существовавшей на момент ее завершения в 1978 году. Она поддерживала катушки магнитов, которые изгибали и фокусировали пучок частиц, в сверхпроводящем состоянии, благодаря чему они потребляли лишь ⅓ энергии, которую потребовали бы при нормальных температурах.

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.

Открытия

Теватрон подтвердил существование нескольких субатомных частиц, которые были предсказаны теоретической физикой частиц, или предоставил свидетельства об их существовании. В 1995 году коллаборации экспериментов CDF и 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 колебаний Bs-мезонов и наблюдении двух типов сигма-барионов. В 2007 году коллаборации DØ и CDF сообщили о прямом наблюдении бариона Xi "Каскад B". В сентябре 2008 года коллаборация DØ сообщила об обнаружении "двойного странного" бариона Омега с измеренной массой, значительно превышающей предсказание кварковой модели. В мае 2009 года коллаборация CDF обнародовала свои результаты поиска на основе анализа выборки данных, примерно в четыре раза большей, чем та, которая использовалась в эксперименте DØ. Измерения массы в эксперименте CDF составили 6054,4 и находились в отличном соответствии с прогнозами Стандартной модели, при этом сигнал не был обнаружен при ранее сообщенном значении в эксперименте DØ. Два несовместимых результата, полученные DØ и CDF, отличаются на 111 единиц, или на 6,2 стандартных отклонения. Благодаря отличному согласию между массой, измеренной CDF, и теоретическими ожиданиями, это является сильным указанием на то, что частица, обнаруженная CDF, действительно является . Ожидается, что новые данные с экспериментов LHC прояснят ситуацию в ближайшем будущем. 2 июля 2012 года, за два дня до запланированного объявления на Большом адронном коллайдере (LHC), ученые из коллайдера Tevatron из коллабораций CDF и DØ объявили о своих выводах из анализа около 500 триллионов столкновений, зарегистрированных с 2001 года: они пришли к выводу, что существование бозона Хиггса вероятно, с массой в диапазоне 115–135 ГэВ. Статистическая значимость наблюдаемых признаков составила 2,9 сигма, что означает, что вероятность случайного появления сигнала такой величины, если бы частицы с такими свойствами не существовало, составляет 1 к 550. Однако окончательный анализ данных, полученных на Теватроне, не решил вопрос о существовании частицы Хиггса. Только когда ученые из Большого адронного коллайдера объявили о более точных результатах LHC 4 июля 2012 года, с массой 125,3 ± 0,4 ГэВ (CMS) или 126 ± 0,4 ГэВ (ATLAS) соответственно, появились убедительные доказательства, основанные на согласованных измерениях LHC и Tevatron, существования частицы Хиггса в этом диапазоне масс.

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.

Перебои в работе из-за землетрясений

Даже на расстоянии в тысячи километров землетрясения вызывали достаточно сильные колебания магнитов, чтобы негативно влиять на качество пучков частиц и даже приводить к их прерыванию. Поэтому на магниты Теватрона были установлены наклономеры для контроля малейших смещений и оперативного выявления причин проблем. Первым зафиксированным землетрясением, нарушившим работу пучка, стало землетрясение в Денели в 2002 году, а еще одна остановка коллайдера произошла из-за умеренного местного землетрясения 28 июня 2004 года. С тех пор на Теватроне были зафиксированы слабые сейсмические колебания, вызванные более чем 20 землетрясениями, не приведшие к остановке работы, включая землетрясение в Индийском океане в 2004 году, землетрясение у островов Ниас и Симеуле в 2005 году, землетрясение в Гисборне (Новая Зеландия) в 2007 году, землетрясение на Гаити в 2010 году и землетрясение в Чили в 2010 году.