Tevatron-partikkelakselerator

Tevatron, partikkelakselerator som lå ved Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Batavia, Illinois. Fermilab er og Tevatron ble operert for det amerikanske energidepartementet av Universities Research Association, et konsortium av 85 forskningsuniversiteter i USA og fire universiteter som representerer Canada, Italia og Japan. Tevatron var verdens høyeste energi-partikkelakselerator frem til 2009, da den ble erstattet av Large Hadron Collider fra European Organization for Nuclear Research (CERN). Tevatronen stengte 30. september 2011.

Tevatron ble konstruert på 1980-tallet under Fermilabs første partikkelakselerator, en protonsynkrotron i en sirkulær tunnel med en omkrets på 6,3 km (3,9 miles). Tevatronen var en superledende synkrotron som utnyttet de høyere magnetiske feltstyrkene produsert av 1000 superledende magneter for å akselerere protoner til betydelig høyere energinivå. Hele ringen ble holdt ved 4,5 kelvin (−268,7 ° C, eller −451,6 ° F) av flytende helium. Det opprinnelige synkrotronet ble en del av innsprøytningssystemet for forkjølelsesapparatet for Tevatron, og akselererte partiklene til 150 GeV (1 GeV = 1 giga elektronvolt = 1 milliard elektron volt) og overførte dem deretter til den nye superledende ringen for akselerasjon til 900 GeV. I 1987 begynte Tevatron å operere som en proton-antiproton-kollider - med 900-GeV-protoner som slo 900-GeV-antiprotoner for å gi totale kollisjonenergier på 1,8 teraelektron volt (TeV; 1,8 billioner elektron volt). Den opprinnelige hovedringen ble erstattet i 1999 av en ny forkjøler, Main Injector, som hadde en 3,3 km (2,1 mil) magnetring. Hovedinjektoren leverte mer intense bjelker til Tevatron og økte dermed antall partikkelkollisjoner med en faktor 10.

Tevatrons fremste oppdagelse var det av toppkvarken, den sjette og mest massive kvarken, i 1995. Forskere konkluderte med eksistensen av toppkvarken, produsert som et resultat av 1,8-TeV proton-antiproton-kollisjoner, på grunnlag av dets forfall kjennetegn. I 2010 brukte forskere Tevatron for å oppdage en liten preferanse for at B-mesoner (partikler som inneholder et bunnkvark) råtner til muoner i stedet for antimuoner. Denne bruddet på ladesymmetri kan føre til en forklaring på hvorfor det er mer materie enn antimaterie i universet.

På Fermilab oppstod protonstrålen, opprinnelig i form av negative hydrogenioner (hver enkelt proton med to elektroner) i en 750 kV Cockcroft-Walton generator og ble akselerert til 400 MeV i en lineær akselerator. En karbonfolie strippet deretter elektronene fra ionene, og protonene ble injisert i Booster, en liten synkrotron på 150 meter (500 fot) i diameter, noe som akselererte partiklene til 8 GeV. Fra Booster ble protonene overført til Main Injector, hvor de ble ytterligere akselerert til 150 GeV før de ble ført til det siste akselerasjonsstadiet i Tevatron.

Antiprotonene ble produsert ved å lede protoner akselerert til 120 GeV fra hovedinjektoren ved Fermilab på et nikkelmål. Antiprotonene ble separert fra andre partikler produsert i kollisjonene ved målet og ble fokusert av en litiumlinsen før de ble ført inn i en ring som ble kalt debuncher, hvor de gjennomgikk stokastisk avkjøling. De ble først ført videre til en akkumulatorring og deretter til resirkuleringsringen, hvor de ble lagret til det var et tilstrekkelig antall for injeksjon i hovedinjektoren. Dette ga akselerasjon til 150 GeV før overføring til Tevatron.

Protoner og antiprotoner ble akselerert samtidig i Tevatron til omtrent 1 TeV, i motbeskyttende bjelker. Etter å ha nådd sin maksimale energi, ble de to bjelkene lagret og deretter tillatt å kollidere på punkter rundt ringen der detektorer befant seg for å fange opp partikler produsert i kollisjonene.

Under lagring i Tevatronen spredte bjelkene seg gradvis slik at kollisjoner ble sjeldnere. Bjelkene ble "dumpet" i et grafittmål på dette stadiet, og friske bjelker ble laget. Denne prosessen kastet bort opptil 80 prosent av antiprotonene, som var vanskelig å lage, så da Main Injector ble bygget, ble det også bygget en maskin for å hente og lagre de gamle antiprotons. Gjenvinningsanlegget, som ligger i samme tunnel som hovedinjektoren, var en lagringsring bygget av 344 permanente magneter. Fordi det ikke var behov for å variere antiprotonenes energi på dette stadiet, trengte ikke magnetfeltet å endre seg. Bruk av permanente magneter sparte energikostnader. Gjenvinneren “avkjølte” de gamle antiprotonene fra Tevatron og integrerte dem også med en ny antiproton-bjelke fra akkumulatoren. De mer intense antiproton-bjelkene produsert av Recycler doblet antallet kollisjoner i Tevatron.

Fram til 2000 ble protoner ved 800 GeV ekstrahert fra Tevatron og ført mot mål for å gi en rekke partikkelstråler for forskjellige eksperimenter. Hovedinjektoren ble deretter den viktigste maskinen for å tilveiebringe ekstraherte bjelker, med den lavere energien på 120 GeV, men med mye høyere intensiteter enn Tevatron ga.