El Tevatron era un acelerador de partículas circular (activo hasta 2011) en los Estados Unidos , en el Fermi National Accelerator Laboratory (también conocido como Fermilab ), al este de Batavia, Illinois , y es el segundo colisionador de partículas de mayor energía jamás construido, después del Large Hadron Collider (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) cerca de Ginebra, Suiza . El Tevatron era un sincrotrón que aceleraba protones y antiprotones en un anillo de 6,28 km (3,90 millas) a energías de hasta 1 TeV., de ahí su nombre. [1] [2] El Tevatron se completó en 1983 a un costo de $ 120 millones y se realizaron importantes inversiones en mejoras durante sus años activos de 1983-2011.
Anillos de almacenamiento que se cruzan | CERN , 1971–1984 |
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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 |
El principal logro del Tevatron fue el descubrimiento en 1995 del quark top , el último fermión fundamental predicho por el Modelo Estándar de física de partículas. El 2 de julio de 2012, los científicos de los equipos de experimentos del colisionador CDF y DØ en Fermilab anunciaron los hallazgos del análisis de alrededor de 500 billones de colisiones producidas por el colisionador Tevatron desde 2001, y encontraron que la existencia del bosón de Higgs sospechoso era muy probable con una confianza del 99,8%, [3] luego mejoró a más del 99,9%. [4]
El Tevatron dejó de operar el 30 de septiembre de 2011, debido a recortes presupuestarios [5] y debido a la finalización del LHC, que comenzó a operar a principios de 2010 y es mucho más potente (las energías planificadas eran dos haces de 7 TeV en el LHC en comparación con 1 TeV en el Tevatron). El anillo principal del Tevatron probablemente se reutilizará en experimentos futuros y sus componentes pueden transferirse a otros aceleradores de partículas. [6]
Historia
El 1 de diciembre de 1968 vio la apertura del terreno para el acelerador lineal (linac). La construcción del recinto del acelerador principal comenzó el 3 de octubre de 1969, cuando Robert R. Wilson , director de NAL, removió la primera pala de tierra . Este se convertiría en el anillo principal del Fermilab de 6,3 km de circunferencia. [1]
El primer rayo de 200 MeV del linac se inició el 1 de diciembre de 1970. El primer rayo de refuerzo de 8 GeV se produjo el 20 de mayo de 1971. El 30 de junio de 1971, un rayo de protones fue guiado por primera vez a través de todo el sistema de aceleradores del National Accelerator Laboratory. incluyendo el anillo principal. El rayo se aceleró a solo 7 GeV. En ese entonces, el Booster Accelerator tomó 200 MeV protones del Linac y "impulsó" su energía a 8 mil millones de electronvoltios. Luego fueron inyectados en el Acelerador Principal. [1]
El mismo año antes de la finalización del Anillo Principal, Wilson testificó ante el Comité Conjunto de Energía Atómica el 9 de marzo de 1971, que era factible lograr una energía más alta mediante el uso de imanes superconductores . También sugirió que se podría hacer utilizando el mismo túnel que el anillo principal y que los nuevos imanes se instalarían en las mismas ubicaciones para operar en paralelo a los imanes existentes del anillo principal. Ese fue el punto de partida del proyecto Tevatron. [7] El Tevatron estuvo en fase de investigación y desarrollo entre 1973 y 1979, mientras que la aceleración en el anillo principal continuó mejorando. [8]
Una serie de hitos hizo que la aceleración aumentara a 20 GeV el 22 de enero de 1972, a 53 GeV el 4 de febrero y a 100 GeV el 11 de febrero. El 1 de marzo de 1972, el entonces sistema de aceleración NAL aceleró por primera vez un haz de protones a su energía de diseño de 200 GeV. A fines de 1973, el sistema de aceleración de NAL operaba habitualmente a 300 GeV. [1]
El 14 de mayo de 1976, Fermilab llevó sus protones hasta 500 GeV. Este logro brindó la oportunidad de introducir una nueva escala energética, el teraelectronvoltio (TeV), igual a 1000 GeV. El 17 de junio de ese año, el acelerador europeo Super Proton Synchrotron (SPS) había logrado un haz de protones circulante inicial (sin potencia de radiofrecuencia de aceleración) de solo 400 GeV. [9]
El anillo principal de imán convencional se cerró en 1981 para la instalación de imanes superconductores debajo de él. El anillo principal continuó sirviendo como inyector para el Tevatron hasta que el inyector principal se completó al oeste del anillo principal en 2000. [7] El 'Energy Doubler', como se le conocía entonces, produjo su primer rayo acelerado, 512 GeV. el 3 de julio de 1983. [10]
Su energía inicial de 800 GeV se logró el 16 de febrero de 1984. El 21 de octubre de 1986, la aceleración en el Tevatron fue empujada a 900 GeV, proporcionando una primera colisión protón-antiprotón a 1.8 TeV el 30 de noviembre de 1986. [11]
El inyector principal , que reemplazó al anillo principal, [12] fue la adición más importante, construida durante seis años a partir de 1993 a un costo de 290 millones de dólares. [13] El colisionador de Tevatron Run II comenzó el 1 de marzo de 2001, después de completar con éxito la actualización de esa instalación. A partir de entonces, el rayo había sido capaz de entregar una energía de 980 GeV. [12]
El 16 de julio de 2004, el Tevatron alcanzó un nuevo pico de luminosidad , rompiendo el récord que ostentaban los antiguos Anillos de Almacenamiento Intersectantes (ISR) europeos en el CERN. Ese mismo récord de Fermilab se duplicó el 9 de septiembre de 2006, luego un poco más del triple el 17 de marzo de 2008, y finalmente se multiplicó por un factor de 4 sobre el récord anterior de 2004 el 16 de abril de 2010 (hasta 4 × 10 32 cm −2 s −1 ). [11]
El Tevatron cesó sus operaciones el 30 de septiembre de 2011. A finales de 2011, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN había alcanzado una luminosidad casi diez veces mayor que la del Tevatron (a 3,65 × 10 33 cm −2 s −1 ) y un haz energía de 3.5 TeV cada uno (haciéndolo desde el 18 de marzo de 2010), ya ~ 3.6 veces la capacidad del Tevatron (a 0.98 TeV).
Mecánica
La aceleración se produjo en varias etapas. La primera etapa fue el preacelerador Cockcroft-Walton de 750 keV , que ionizó gas hidrógeno y aceleró los iones negativos creados utilizando un voltaje positivo . Luego, los iones pasaron al acelerador lineal de 150 metros de largo (linac) que utilizó campos eléctricos oscilantes para acelerar los iones a 400 MeV . Luego, los iones pasaron a través de una lámina de carbono para eliminar los electrones , y los protones cargados luego se trasladaron al Booster . [14]
El Booster era un pequeño sincrotrón circular, alrededor del cual los protones pasaban hasta 20.000 veces para alcanzar una energía de alrededor de 8 GeV . Desde el Booster, las partículas se introdujeron en el inyector principal, que se completó en 1999 para realizar una serie de tareas. Podría acelerar protones hasta 150 GeV; producir protones de 120 GeV para la creación de antiprotones; aumentar la energía del antiprotón a 150 GeV; e inyectar protones o antiprotones en el Tevatron. Los antiprotones fueron creados por Antiproton Source . Los protones de 120 GeV chocaron con un objetivo de níquel produciendo una variedad de partículas, incluidos los antiprotones, que se podían recoger y almacenar en el anillo acumulador. A continuación, el anillo podría pasar los antiprotones al inyector principal.
El Tevatron podría acelerar las partículas del inyector principal hasta 980 GeV. Los protones y antiprotones se aceleraron en direcciones opuestas, cruzando caminos en los detectores CDF y DØ para colisionar a 1,96 TeV. Para mantener las partículas en la pista, el Tevatron utilizó 774 imanes dipolo superconductores de niobio-titanio enfriados en helio líquido que producían una intensidad de campo de 4,2 tesla . El campo aumentó durante unos 20 segundos a medida que las partículas se aceleraban. Se utilizaron otros imanes cuadrupolo de 240 NbTi para enfocar el haz. [2]
La luminosidad de diseño inicial del Tevatron era 10 30 cm −2 s −1 , sin embargo, después de las actualizaciones, el acelerador había sido capaz de entregar luminosidades de hasta 4 × 10 32 cm −2 s −1 . [15]
El 27 de septiembre de 1993, el sistema de enfriamiento criogénico del Acelerador Tevatron fue nombrado Monumento Histórico Internacional por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos . El sistema, que proporcionó helio líquido criogénico a los imanes superconductores del Tevatron, fue el sistema de baja temperatura más grande que existió después de su finalización en 1978. Mantuvo las bobinas de los imanes, que doblaban y enfocaban el haz de partículas, en un estado superconductor, de modo que consumieron solo ⅓ de la energía que habrían requerido a temperaturas normales. [8]
Descubrimientos
El Tevatron confirmó la existencia de varias partículas subatómicas que fueron predichas por la física teórica de partículas , o sugirió su existencia. En 1995, el experimento CDF y las colaboraciones del experimento DØ anunciaron el descubrimiento del quark top , y en 2007 midieron su masa (172 GeV) con una precisión de casi el 1%. En 2006, la colaboración CDF informó la primera medición de las oscilaciones de B s y la observación de dos tipos de bariones sigma . [16] En 2007, las colaboraciones DØ y CDF informaron sobre la observación directa de la "Cascada B" (
Ξ-
b) Xi barión . [17]
En septiembre de 2008, la colaboración DØ informó de la detección de la
Ω-
b, un barión Omega "doblemente extraño " con la masa medida significativamente más alta que la predicción del modelo de quarks. [18] [19] En mayo de 2009, la colaboración de la FCD hizo públicos sus resultados en la búsqueda de
Ω-
bbasado en el análisis de una muestra de datos aproximadamente cuatro veces mayor que la utilizada por el experimento DØ. [20] Las mediciones de masa del experimento CDF fueron6 054 .4 ± 6,8 MeV / c 2 y en excelente acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar, y no se ha observado ninguna señal en el valor informado anteriormente del experimento DØ. Los dos resultados inconsistentes de DØ y CDF difieren en111 ± 18 MeV / c 2 o 6.2 desviaciones estándar. Debido a la excelente concordancia entre la masa medida por CDF y la expectativa teórica, es una fuerte indicación de que la partícula descubierta por CDF es de hecho la
Ω-
b. Se prevé que los nuevos datos de los experimentos del LHC aclararán la situación en un futuro próximo.
El 2 de julio de 2012, dos días antes de un anuncio programado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los científicos del colisionador Tevatron de las colaboraciones CDF y DØ anunciaron sus hallazgos del análisis de alrededor de 500 billones de colisiones producidas desde 2001: Encontraron que la existencia del bosón de Higgs probablemente tenía una masa en la región de 115 a 135 GeV. [21] [22] La significación estadística de los signos observados fue de 2,9 sigma, lo que significa que sólo hay una probabilidad de 1 en 550 de que se hubiera producido una señal de esa magnitud si de hecho no existiera ninguna partícula con esas propiedades. Sin embargo, el análisis final de los datos del Tevatron no resolvió la cuestión de si existe la partícula de Higgs. [3] [23] Solo cuando los científicos del Gran Colisionador de Hadrones anunciaron los resultados más precisos del LHC el 4 de julio de 2012, con una masa de 125,3 ± 0,4 GeV ( CMS ) [24] o 126 ± 0,4 GeV ( ATLAS ) [ 25] respectivamente, hubo pruebas sólidas a través de mediciones consistentes por el LHC y el Tevatron de la existencia de una partícula de Higgs en ese rango de masa.
Interrupciones debidas a terremotos
Los terremotos, incluso si ocurrieron a miles de millas de distancia, causaron movimientos lo suficientemente fuertes en los imanes como para afectar negativamente la calidad del rayo e incluso interrumpirlo. Por lo tanto, se instalaron medidores de inclinación en los imanes de Tevatron para monitorear movimientos diminutos y ayudar a identificar rápidamente la causa de los problemas. El primer terremoto conocido que interrumpió el haz fue el terremoto de Denali de 2002 , con otro cierre del colisionador causado por un terremoto local moderado el 28 de junio de 2004. [26] Desde entonces, las diminutas vibraciones sísmicas que emanan de más de 20 terremotos se detectaron en el Tevatron. sin un cierre, como el terremoto del Océano Índico de 2004 , el terremoto de Nias-Simeulue de 2005 , el terremoto de Gisborne de 2007 en Nueva Zelanda , el terremoto de Haití de 2010 y el terremoto de Chile de 2010 . [27]
Ver también
- Bevatrón
- Gran Colisionador de Hadrones
- Super colisionador superconductor
- Rayo cósmico de energía ultra alta
Referencias
- ^ a b c d "Historial del acelerador: anillo principal" . Proyecto de Historia y Archivos del Fermilab . Consultado el 7 de octubre de 2012 .
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- ^ ¿Fue un terremoto? Pregúntale al Tevatron
- ^ Tevatron ve el terremoto de Haití
Otras lecturas
- Valery Lebedev, Vladimir Shiltsev, ed. (2014). Física del acelerador en el Tevatron Collider . Aceleración y detección de partículas. Saltador. doi : 10.1007 / 978-1-4939-0885-1 . ISBN 978-1-4939-0884-4.
enlaces externos
- Medios relacionados con Tevatron en Wikimedia Commons
- Estado de Tevatron en vivo
- Página de FermiLab para Tevatron - con componentes etiquetados
- La caza del Higgs en Tevatron
- Detalles técnicos de los aceleradores
Coordenadas :41 ° 49′55 ″ N 88 ° 15′07 ″ O / 41.832 ° N 88.252 ° W / 41,832; -88.252