Inside The World's Largest Particle Accelerator (Mai 2024)
Tevatron, accelerator de particule care a fost localizat la Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) din Batavia, Illinois. Fermilab este și Tevatron a fost operat pentru Departamentul de Energie al SUA de către Universities Research Association, un consorțiu format din 85 de universități de cercetare din Statele Unite și patru universități din Canada, Italia și Japonia. Tevatronul a fost cel mai mare accelerator de particule din lume până în 2009, când a fost înlocuit de Marele Colizor de Hadron al Organizației Europene pentru Cercetări Nucleare (CERN). Tevatronul s-a închis la 30 septembrie 2011.
Tevatronul a fost construit în anii 1980 sub primul accelerator de particule al lui Fermilab, un proton sincrotron într-un tunel circular cu o circumferință de 6,3 km (3,9 mile). Tevatronul a fost un sincrotron superconductor care a profitat de forțele mai mari ale câmpului magnetic produse de 1.000 de magneți supraconductori pentru a accelera protonii până la niveluri de energie semnificativ mai mari. Întregul inel a fost păstrat la 4,5 kelvine (-268,7 ° C sau -451,6 ° F) cu heliu lichid. Sincrotronul original a devenit parte a sistemului de injecție preacelerare pentru Tevatron, accelerarea particulelor la 150 GeV (1 GeV = 1 giga electron volt = 1 miliard de electroni volți) și apoi le-a transferat în noul inel superconductor pentru accelerare la 900 GeV. În 1987, Tevatron a început să funcționeze ca un colizor proton-antiproton - protonii 900-GeV lovind antiprotonele 900-GeV pentru a furniza energii totale de coliziune de 1,8 teraelectron volți (TeV; 1,8 trilioane de electroni volți). Inelul principal inițial a fost înlocuit în 1999 de un nou preacelerație, principalul injector, care avea un inel cu magnet de 3,3 km (2,1 mile). Injectorul principal a livrat fascicule mai intense Tevatronului și a crescut astfel numărul de coliziuni de particule cu un factor de 10.
Prima descoperire a lui Tevatron a fost cea a quark-ului de sus, al șaselea și cel mai masiv quark, în 1995. Oamenii de știință au dedus existența quark-ului de sus, produs ca urmare a coliziunilor proton-antiproton de 1,8 TeV, pe baza degradării sale. caracteristici. În 2010, oamenii de știință au folosit Tevatron pentru a detecta o ușoară preferință pentru mesonii B (particule care conțin un quark de fund) pentru a se descompune în muoni, mai degrabă decât antimononi. Această încălcare a simetriei de încărcare ar putea duce la o explicație pentru ce există mai multă materie decât antimaterie în univers.
La Fermilab, fasciculul de protoni, inițial, sub aspectul ionilor de hidrogen negativi (fiecare un proton unic cu doi electroni), își are originea într-un generator Cockcroft-Walton de 750 kV și a fost accelerat la 400 MeV într-un accelerator liniar. O folie de carbon a îndepărtat apoi electronii de la ioni și protonii au fost injectați în Booster, un mic sincrotron de 150 de metri (500 de metri) în diametru, care a accelerat particulele până la 8 GeV. De la Booster protonii au fost transferați în injectorul principal, unde au fost mai mult accelerate la 150 GeV înainte de a fi alimentate până la stadiul final de accelerație în Tevatron.
Antiprotonii au fost produși prin direcționarea protonilor accelerați la 120 GeV de la injectorul principal de la Fermilab pe o țintă de nichel. Antiprotonii au fost separați de alte particule produse în coliziunile la țintă și au fost focalizați de o lentilă de litiu înainte de a fi alimentați într-un inel numit debuncher, unde au fost supuse răcirii stocastice. Au fost transmise mai întâi la un inel acumulator și apoi la inelul Recycler, unde au fost depozitate până când a fost un număr suficient pentru injectare în injectorul principal. Aceasta a dus la accelerare la 150 GeV înainte de transferul la Tevatron.
Protonii și antiprotonii au fost accelerați simultan în Tevatron până la aproximativ 1 TeV, în grinzi contrarotante. După ce au atins energia maximă, cele două fascicule au fost depozitate și apoi au fost lăsate să se ciocnească în punctele din jurul inelului unde au fost situate detectoarele pentru a capta particule produse în coliziuni.
În timpul depozitării în Tevatron, grinzile s-au răspândit treptat, astfel încât coliziunile au devenit mai puțin frecvente. Grinzile au fost „aruncate” într-o țintă de grafit în această etapă și s-au realizat grinzi proaspete. Acest proces a irosit până la 80 la sută din antiprotonii, care au fost dificil de realizat, astfel încât, atunci când a fost construit principalul injector, a fost construită o mașină pentru a prelua și depozita vechile antiprotone. Reciclatorul, situat în același tunel ca și Injectorul Principal, a fost un inel de stocare construit din 344 de magneți permanenți. Deoarece nu a fost nevoie să se modifice energia antiprotonilor în acest stadiu, câmpul magnetic nu a fost necesar să se schimbe. Utilizarea magneților permanenți a economisit costurile energetice. Reciclatorul a „răcit” vechile antiprotone de la Tevatron și le-a reintegrat cu un nou fascicul antiproton din acumulator. Grinzile antiproton mai intense produse de Recycler au dublat numărul de coliziuni în Tevatron.
Până în anul 2000, protonii la 800 GeV au fost extrasi din Tevatron și direcționați pe ținte pentru a produce o varietate de fascicule de particule pentru diferite experimente. Injectorul principal a devenit apoi mașina principală pentru furnizarea de fascicule extrase, la o energie mai mică de 120 GeV, dar la intensități mult mai mari decât cea oferită de Tevatron.
