El Sincrotrón Super Protón-Antiprotón (o Sp p S , también conocido como Colisionador Protón-Antiprotón ) fue un acelerador de partículas que operó en el CERN desde 1981 hasta 1991. Para operar como colisionador protón - antiprotón, el Sincrotrón Super Protón ( SPS ) se sometió modificaciones sustanciales, alterándolo de un sincrotrón de un haz a un colisionador de dos haces. Los principales experimentos en el acelerador fueron UA1 y UA2 , donde se descubrieron los bosones W y Z en 1983. Carlo Rubbiay Simon van der Meer recibió el 1984 Premio Nobel de Física por su contribución decisiva a la Sp p S-proyecto, que llevó al descubrimiento de los bosones W y Z . [1] Otros experimentos realizados en el Sp p S fueron UA4 , UA5 y UA8 .
 Esquemas del complejo Sp p S | |
| Anillos de almacenamiento que se cruzan | CERN , 1971–1984 |
|---|---|
| Colisionador de protones y antiprotones ( SPS ) | CERN , 1981–1991 |
| ISABELLE | BNL , cancelado en 1983 |
| Tevatron | Fermilab , 1987–2011 |
| Super colisionador superconductor | Cancelado en 1993 |
| Colisionador de iones pesados relativista | BNL , 2000-presente |
| Gran Colisionador de Hadrones | CERN , 2009-presente |
| Colisionador circular futuro | Propuesto |
Fondo
Alrededor de 1968, Sheldon Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam idearon la teoría electrodébil , que unificaba el electromagnetismo y las interacciones débiles , y por la que compartían el Premio Nobel de Física de 1979 . [2] La teoría postula la existencia de W y Z bosones . Se estableció experimentalmente en dos etapas, la primera fue el descubrimiento de corrientes neutrales en la dispersión de neutrinos por la colaboración de Gargamelle en el CERN , un proceso que requería la existencia de una partícula neutra para transportar la fuerza débil: el bosón Z. Los resultados de la colaboración de Gargamelle hicieron posible los cálculos de la masa de los bosones W y Z. Se predijo que el bosón W tenía un valor de masa en el rango de 60 a 80 GeV / c 2 , y el bosón Z en el rango de 75 a 92 GeV / c 2 - energías demasiado grandes para ser accesibles por cualquier acelerador en funcionamiento En ese tiempo. [3] La segunda etapa para establecer la teoría electrodébil sería el descubrimiento de los bosones W y Z, lo que requiere el diseño y la construcción de un acelerador más potente.
A finales de los años 70, el principal proyecto del CERN fue la construcción del Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP). Tal máquina era ideal para producir y medir las propiedades de los bosones W y Z. [3] Sin embargo, debido a la presión para encontrar los bosones W y Z, la comunidad del CERN sintió que no podía esperar a la construcción de LEP - se necesitaba un nuevo acelerador - cuya construcción no podía hacerse a expensas de LEP. . [4] En 1976, Carlo Rubbia , Peter McIntyre y David Cline propusieron modificar un acelerador de protones - en ese momento ya se estaba ejecutando un acelerador de protones en Fermilab y uno estaba en construcción en el CERN (SPS) - en un colisionador protón - antiprotón . [5] Tal máquina requería solo una cámara de vacío, a diferencia de un colisionador protón-protón que requiere cámaras separadas debido a campos magnéticos dirigidos de manera opuesta. Dado que los protones y antiprotones son de carga opuesta, pero de la misma energía E , pueden circular en el mismo campo magnético en direcciones opuestas, lo que genera colisiones frontales entre los protones y los antiprotones a una energía total del centro de masa.. [3] El esquema fue propuesto tanto en Fermilab en los Estados Unidos como en el CERN, y finalmente fue adoptado en el CERN para el Super Proton Synchrotron (SPS). [3]
Los bosones W y Z se producen principalmente como resultado de la aniquilación quark-antiquark. En el modelo de partón, el impulso de un protón se comparte entre los componentes del protón: una parte del impulso del protón es transportada por los quarks y el resto por los gluones . No será suficiente acelerar los protones a un momento igual a la masa del bosón, ya que cada quark solo llevará una parte del momento. Para producir bosones en los intervalos estimados de 60 a 80 GeV (bosón W) y de 75 a 92 GeV (bosón Z), se necesitaría un colisionador protón-antiprotón con una energía de centro de masa de aproximadamente seis veces la masa del bosón. , alrededor de 500-600 GeV. [3] El diseño del Sp p S fue determinado por la necesidad de detectar. Como la sección transversal para la producción de Z a ~ 600 GeV es ~ 1,6 nb, y la fracción dela desintegración es ~ 3%, una luminosidad de L = 2,5 · 10 29 cm −2 s −1 daría una tasa de eventos de ~ 1 por día. [3] Para lograr tal luminosidad se necesitaría una fuente de antiprotones capaz de producir ~ 3 · 10 10 antiprotones cada día, distribuidos en unos pocos racimos con aceptación angular y de momento del SPS.
Historia
El SPS fue diseñado originalmente como un sincrotrón para protones, para acelerar un haz de protones a 450 GeV y extraerlo del acelerador para experimentos con objetivos fijos . Sin embargo, ya antes del período de construcción del SPS surgió la idea de utilizarlo como acelerador protón-antiprotón. [6]
La primera propuesta para un colisionador protón-antiprotón parece haber sido hecha por Gersh Budker y Alexander Skrinsky en Orsay en 1966, basada en la nueva idea de Budker de enfriamiento de electrones . [7] En 1972 Simon van der Meer publicó la teoría del enfriamiento estocástico , [8] por la que posteriormente recibió el Premio Nobel de Física en 1984 . [9] La teoría se confirmó en los anillos de almacenamiento que se cruzan en el CERN en 1974. Si bien el enfriamiento de electrones podría haber llevado a la idea de un colisionador protón-antiprotón, finalmente fue el enfriamiento estocástico el que se utilizó en los preaceleradores para preparar antiprotones para el Sp p S.
Mientras tanto, el descubrimiento de corrientes neutrales en el experimento Gargamelle en el CERN desencadenó la propuesta de Carlo Rubbia y sus colaboradores para un colisionador protón-antiprotón. En 1978, el proyecto fue aprobado por el Consejo del CERN, y las primeras colisiones se produjeron en julio de 1981. [6] La primera ejecución duró hasta 1986, y después de una mejora sustancial continuó funcionando de 1987 a 1991. [6] El colisionador se apagó a finales de 1991, ya que ya no era competitivo con el colisionador protón-antiprotón de 1,5 TeV en Fermilab, que había estado en funcionamiento desde 1987.
Operación
Entre 1981 y 1991, SPS operaría parte del año como sincrotrón, acelerando un solo haz para experimentos con objetivos fijos, y parte del año como colisionador: Sp p S.
| Parámetros típicos | Sp p S |
|---|---|
| Momento de la inyección [GeV / c] | 26 |
| Momento máximo [GeV / c] | 315 |
| Luminosidad integrada en 1990 [nb −1 ] | 6790 |
| Intensidad del racimo de protones | 12 · 10 10 |
| Intensidad del racimo de antiprotones | 5 · 10 10 |
| Número de racimos por viga | 6 |
| Número de puntos de colisión | 3 |
Modificaciones del SPS para el funcionamiento del colisionador
Los requisitos de un anillo de almacenamiento como el Sp p S, en el que los haces deben circular durante muchas horas, son mucho más exigentes que los de un sincrotrón pulsado, como el SPS. [10] Después de que se decidiera el Sp p S en 1978, se realizaron las siguientes modificaciones en el SPS: [6]
- Para transferir los antiprotones del PS al SPS, se construyó una nueva línea de haz, junto con un nuevo sistema de inyección para inyección en sentido antihorario.
- Como SPS fue diseñado para una inyección de 14 GeV / cy la nueva inyección sería de 26 GeV / c, el sistema de inyección tuvo que ser actualizado
- Mejora del sistema de vacío de haz SPS. El vacío de diseño de 2 · 10 −7 Torr era adecuado para SPS: como sincrotrón, el haz se acelera a 450 GeV y se extrae durante muy poco tiempo. [10] El Sp p S tendría un tiempo de almacenamiento de 15 a 20 horas, y el vacío tuvo que mejorarse en casi tres órdenes de magnitud.
- El sistema de radiofrecuencia de aceleración tuvo que sufrir modificaciones para aceleraciones simultáneas de protones y antiprotones. Los racimos de protones y antiprotones tenían que estar sincronizados con precisión para que ocurrieran colisiones en el centro de los detectores.
- El diagnóstico de haz tuvo que adaptarse a las intensidades de haz bajo. Se agregaron nuevos dispositivos, como acopladores direccionales para la observación independiente de protones y antiprotones.
- Construcción de enormes áreas experimentales para experimentos ( UA1 y UA2 ). El sistema de interrupción del haz tuvo que ser movido para dar lugar a los experimentos. [10]
Producción de antiprotones
La creación y almacenamiento de antiprotones en cantidades suficientes fue uno de los mayores desafíos en la construcción del Sp p S. La producción de antiprotones requirió el uso de la infraestructura CERN existente, como el Sincrotrón de Protones ( PS ) y el Acumulador de Antiprotones ( AA ). . Los antiprotones se produjeron dirigiendo un haz de protones intenso a un impulso de 26 GeV / c desde el PS hacia un objetivo para la producción. El estallido emergente de antiprotones tuvo un impulso de 3,5 GeV / cy se seleccionó magnéticamente, se dirigió al AA y se almacenó durante muchas horas. El principal obstáculo fue la gran dispersión de momentos y ángulos de los antiprotones que emergen del objetivo. [11] El método para reducir las dimensiones de la viga se llama enfriamiento estocástico , un método descubierto por Simon van der Meer . En pocas palabras, es un sistema de retroalimentación basado en el hecho de que todos los haces son particulados y que, por lo tanto, a nivel microscópico, la densidad dentro de un volumen dado estará sujeta a fluctuaciones estadísticas. [10] El objetivo de descubrir los bosones W y Z imponía ciertas exigencias a la luminosidad del colisionador, por lo que el experimento requería una fuente de antiprotones capaz de entregar 3 · 10 10 antiprotones cada día en unos pocos racimos dentro de la aceptación angular y de momento de el SPS. [6] La acumulación de antiprotones en el AA podría tardar varios días. La actualización de 1986-1988 permitió multiplicar por diez la velocidad de apilamiento del AA. [10] Alrededor del AA se construyó un segundo anillo, llamado Antiproton Collector (AC) .
Relleno
Después de que los antiprotones se hubieran apilado en el AA, el PS y el Sp p S se prepararían para un llenado. Primero, tres racimos de protones, cada uno con ~ 10 11 protones, se aceleraron a 26 GeV en el PS, y se inyectaron en el Sp p S. [3] En segundo lugar, se extrajeron tres racimos de antiprotones, cada uno con ~ 10 10 antiprotones del AA y se inyecta en la PS. [3] En el PS, los racimos de antiprotones se aceleraron a 26 GeV en la dirección opuesta a la de los protones, y se inyectaron en el Sp p S. Las inyecciones se cronometraron para garantizar que los cruces de racimos en el acelerador ocurrieran en el centro. de los detectores, UA1 y UA2. La eficiencia de transferencia del AA al Sp p S fue de aproximadamente el 80%. [12] En la primera ejecución, 1981-1986, el Sp p S aceleró tres racimos de protones y tres racimos de antiprotones. Después de que se aumentó la velocidad de apilamiento de los antiprotones en la actualización, el número de protones y antiprotones inyectados en el colisionador aumentó de tres a seis. [6]
Aceleración
Cuando se inyectaron en el Sp p S, ambos haces se aceleraron a 315 GeV. Luego pasaría al almacenamiento durante 15 a 20 horas de toma de datos físicos mientras el AA reanudaba la acumulación en preparación para el siguiente llenado. Cuando tres grupos de protones y tres grupos de antiprotones circularan en la misma cámara de vacío, se encontrarían en seis puntos. UA1 y UA2 se ubicaron en dos de estos puntos de encuentro. Se utilizaron separadores electrostáticos para lograr la separación en los puntos de cruce no utilizados lejos de los experimentos [6]. Hasta 1983, la energía del centro de masa estaba limitada a 546 GeV debido al calentamiento resistivo de las bobinas magnéticas. La adición de más enfriamiento permitió que la energía de la máquina se elevara a 630 GeV en 1984. [6]
Obtención de colisiones a 900 GeV
Cuando se opera como un acelerador para experimentos con objetivos fijos, el SPS puede acelerar un rayo a 450 GeV, antes de que el rayo se extraiga en segundos (o una pequeña fracción de segundo cuando se usa para acelerar un racimo para inyectarlo en el LHC ). Sin embargo, cuando se opera como colisionador, el rayo debe almacenarse en la línea del rayo durante horas y los imanes dipolo del acelerador deben mantener un campo magnético constante durante más tiempo. Para evitar el sobrecalentamiento de los imanes, el Sp p S solo aceleraría los rayos a una energía de centro de masa de 315 GeV. Sin embargo, este límite podría superarse aumentando los imanes entre 100 GeV y la capacidad máxima de la máquina de 450 GeV. [13] El Sp p S aceleraría los rayos a 450 GeV, manteniéndolos como esta energía durante un tiempo limitado por el calentamiento de los imanes, luego desaceleraría los rayos a 100 GeV. La pulsación se hizo funcionar de tal manera que la dispersión media de potencia en los imanes no excediera el nivel de funcionamiento a 315 GeV. El Sp p S ocasionalmente funcionó a pulsos después de 1985, obteniendo colisiones a una energía de centro de masa de 900 GeV. [13]
Hallazgos y descubrimientos
El Sp p S comenzó a funcionar en julio de 1981, y en enero de 1983 se anunció el descubrimiento del bosón W y Z por el experimento UA1 y UA2 . Carlo Rubbia , portavoz del experimento UA1 , y Simon van der Meer recibieron el Premio Nobel de Física 1984 por, como se indica en el comunicado de prensa del Comité Nobel , por "(...) su contribución decisiva al gran proyecto, que llevó a al descubrimiento de las partículas de campo W y Z (...) ". [1] El premio fue otorgado a Carlo Rubbia por su "(...) idea de convertir un gran acelerador existente en un anillo de almacenamiento de protones y antiprotones", es decir, la concepción de la Sp p S, y a Simon van der Meer por su "(...) método ingenioso para el empaquetado denso y almacenamiento de protones, ahora aplicado para antiprotones", es decir, idear la tecnología que permite el acumulador de antiprotones - enfriamiento estocástico. [1] La concepción, construcción y funcionamiento del Sp p S se consideró un gran logro técnico en sí mismo.
Antes de la puesta en servicio de la Sp p S, se debatió si la máquina funcionaría o si los efectos de los haces en los haces agrupados prohibirían una operación con alta luminosidad. [6] El Sp p S demostró que se podía dominar el efecto haz-haz sobre haces agrupados, y que los colisionadores de hadrones eran herramientas excelentes para experimentos en física de partículas. En tal sentido, sentó las bases del LHC , el colisionador de hadrones de próxima generación en el CERN . [3]
Ver también
- Sincrotrón de super protones
- Lista de experimentos del sincrotrón de super protones
- Experimento UA1
- Experimento UA2
- Enfriamiento estocástico
- Bosones W y Z
Referencias
- ^ a b c "Comunicado de prensa: el Premio Nobel de Física de 1984" . www.nobelprize.org . Consultado el 12 de julio de 2017 .
- ^ "El Premio Nobel de Física 1979" . Nobelprize.org . 15 de octubre de 1979 . Consultado el 28 de julio de 2017 .
- ^ a b c d e f g h yo Di Lella, Luigi; Rubbia, Carlo (2015). "El descubrimiento de los bosones W y Z" . 60 años de experimentos y descubrimientos del CERN . Serie avanzada sobre direcciones en física de altas energías. 23 . World Scientific. págs. 137-163. doi : 10.1142 / 9789814644150_0006 . ISBN 978-981-4644-14-3.
- ^ Darriulat, Pierre (1 de abril de 2004). "Las partículas W y Z: un recuerdo personal" . Mensajero del CERN . Consultado el 21 de junio de 2017 .
- ^ Rubbia, C .; McIntyre, P .; Cline, D. (8 de junio de 1976). Producción de bosones vectoriales intermedios neutros masivos con aceleradores existentes . Conferencia Internacional de Neutrinos 1976. Aquisgrán, Alemania.
- ^ a b c d e f g h yo Schmidt, Rudiger (2017). "El colisionador de protones y antiprotones del CERN SPS". En Brünibng, Oliver; Myers, Steve (eds.). Retos y metas de los aceleradores del siglo XXI . World Scientific. págs. 153-167. doi : 10.1142 / 9789814436403_0010 . ISBN 9789814436403.
- ^ Evans, Lyndon (25 de noviembre de 1987). El colisionador de protones y antiprotones . Tercera conferencia en memoria de John Adams. Ginebra, CERN: CERN.
- ^ van der Meer, S. (agosto de 1972). "Enfriamiento estocástico de oscilaciones Betatron en el ISR" (PDF) . Consultado el 19 de julio de 2017 . Cite journal requiere
|journal=( ayuda ) - ^ "Comunicado de prensa: Premio Nobel de Física de 1984" . Nobelprize.org . 17 de octubre de 1984 . Consultado el 24 de julio de 2017 .
- ^ a b c d e Evans, Lyndon; Jones, Eifionydd; Koziol, Heribert (1989). "El colisionador de ppbar del CERN". En Altarelli, G .; Di Lella, Luigi (eds.). Física del colisionador de protones y antiprotones . Serie avanzada sobre direcciones en física de altas energías. 4 . Publicaciones científicas mundiales.
- ^ Jakobs, Karl (1994). "Los resultados físicos del experimento UA2 en el colisionador p p del CERN " . International Journal of Modern Physics A . 09 (17): 2903–2977. Código bibliográfico : 1994IJMPA ... 9.2903J . doi : 10.1142 / S0217751X94001163 .
- ^ Gareyte, Jacques (11 de octubre de 1983). El colisionador protón-antiprotón SPS . Escuela Aceleradora del CERN: Antiprotones para instalaciones de haces de colisión. Ginebra, CERN: CERN. doi : 10.5170 / CERN-1984-015.291 .
- ^ a b Lauckner, R. (octubre de 1985). Operación pulsada del CERN SPS Collider . 11a Conferencia IEEE Particle Accelerator, pt.1. Vancouver, Canada.
enlaces externos
Medios relacionados con el sincrotrón Súper Protón-Antiprotón en Wikimedia Commons- "Las partículas W y Z: un recuerdo personal" por el portavoz de UA2, Pierre Darriulat
- Di Lella, Luigi; Rubbia, Carlo (2015) "El descubrimiento de las partículas W y Z" en 60 años de experimentos y descubrimientos del CERN . Servidor de documentos CERN: World Scientific
- Schmidt, Rudiger (2017) "El colisionador protón-antiprotón del CERN SPS" en Desafíos y metas para los aceleradores en el siglo XXI . Mundo científico
Medios relacionados con el sincrotrón Súper Protón-Antiprotón en Wikimedia Commons