Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
За пределами стандартной модели
CMS Higgs-event.jpg
Смоделированные данные детектора частиц CMS на большом адронном коллайдере, изображающие бозон Хиггса, образованный сталкивающимися протонами, распадающимися на адронные струи и электроны
Стандартная модель
Свидетельство
Теории
Суперсимметрия
  • MSSM
  • NMSSM
  • Теория суперструн
  • М-теория
  • Супергравитация
  • Нарушение суперсимметрии
  • Дополнительные размеры
  • Большие дополнительные размеры
Квантовая гравитация
  • Ложный вакуум
  • Теория струн
  • Отжим пена
  • Квантовая пена
  • Квантовая геометрия
  • Петлевая квантовая гравитация
  • Квантовая космология
  • Петлевая квантовая космология
  • Причинная динамическая триангуляция
  • Причинные фермионные системы
  • Причинные множества
  • Симметрия событий
  • Каноническая квантовая гравитация
  • Полуклассическая гравитация
  • Теория сверхтекучего вакуума
Эксперименты
  • ЭННИ
  • Гран Сассо
  • Я НЕ
  • LHC
  • SNO
  • Супер-К
  • Теватрон
  • Новая звезда
  • v
  • т
  • е
Адронные коллайдеры
Кольца Теватрона (на заднем плане) и главного инжектора
Пересекающиеся кольца для храненияЦЕРН , 1971–1984 гг.
Протонно-антипротонный коллайдер ( SPS )ЦЕРН , 1981–1991 гг.
ИЗАБЕЛЬBNL , отменен в 1983 г.
ТеватронФермилаб , 1987–2011 гг.
Сверхпроводящий суперколлайдерОтменено в 1993 г.
Релятивистский коллайдер тяжелых ионовБНЛ , 2000 – настоящее время
Большой адронный коллайдерЦЕРН , 2009 – настоящее время
Круговой коллайдер будущегоПредложил

Теватрон был круговым ускоритель элементарных частиц (активного до 2011) в Соединенных Штатах , на Национальной ускорительной лаборатории Ферми (также известная как Fermilab ), к востоку от Батавия, штата Иллинойс , и является вторым по величине коллайдера энергии частицы когда - либо построенный, после того , как Большие Адронный коллайдер (LHC) Европейской организации ядерных исследований (CERN) недалеко от Женевы, Швейцария . Тэватрон был синхротроном, который ускорял протоны и антипротоны в кольце длиной 6,28 км (3,90 миль) до энергий до 1 ТэВ., отсюда и его название. [1] [2] Тэватрон был завершен в 1983 году и обошелся в 120 миллионов долларов, и значительные инвестиции в модернизацию были сделаны в период его активной эксплуатации в 1983–2011 годах.

Главным достижением Тэватрона было открытие в 1995 году топ-кварка - последнего фундаментального фермиона, предсказанного Стандартной моделью физики элементарных частиц. 2 июля 2012 года ученые из экспериментальных групп коллайдеров CDF и DØ в Фермилабе объявили о результатах анализа около 500 триллионов столкновений, произведенных коллайдером Тэватрон с 2001 года, и обнаружили, что существование предполагаемого бозона Хиггса весьма вероятно с только вероятность 1 из 550, что признаки были вызваны статистическими колебаниями. Через два дня результаты были подтверждены как верные с вероятностью ошибки менее 1 на миллион по данным LHC.эксперименты. [3]

Тэватрон прекратил работу 30 сентября 2011 года из-за сокращения бюджета [4] и из-за завершения строительства LHC, который начал работу в начале 2010 года и является гораздо более мощным (запланированные энергии составляли два луча 7 ТэВ на LHC по сравнению с 1. ТэВ на Тэватроне). Главное кольцо Тэватрона, вероятно, будет повторно использовано в будущих экспериментах, а его компоненты могут быть перенесены на другие ускорители частиц. [5]

История [ править ]

1 декабря 1968 года были заложены основы линейного ускорителя (линейного ускорителя). Строительство главного корпуса ускорителя началось 3 октября 1969 года, когда директор NAL Роберт Р. Уилсон развернул первую лопату земли . Это станет главным кольцом Фермилаба окружностью 6,3 км. [1]

Первый пучок линейного ускорителя с энергией 200 МэВ был запущен 1 декабря 1970 года. Первый пучок ускорителя с энергией 8 ГэВ был получен 20 мая 1971 года. 30 июня 1971 года пучок протонов впервые прошел через всю ускорительную систему Национальной ускорительной лаборатории. включая Главное кольцо. Пучок был ускорен всего до 7 ГэВ. Тогда Бустерный ускоритель забирал протоны с энергией 200 МэВ из линейного ускорителя и «повышал» их энергию до 8 миллиардов электрон-вольт. Затем они были введены в главный ускоритель. [1]

В том же году перед завершением строительства Главного кольца Уилсон свидетельствовал Объединенному комитету по атомной энергии 9 марта 1971 года, что можно достичь более высокой энергии с помощью сверхпроводящих магнитов . Он также предположил, что это можно сделать, используя тот же туннель, что и главное кольцо, и новые магниты будут установлены в тех же местах, чтобы работать параллельно с существующими магнитами главного кольца. Это было отправной точкой проекта Tevatron. [6] Тэватрон находился в стадии исследований и разработок в период с 1973 по 1979 год, в то время как ускорение на Главном кольце продолжало увеличиваться. [7]

В результате серии этапов ускорение возросло до 20 ГэВ 22 января 1972 года, до 53 ГэВ 4 февраля и до 100 ГэВ 11 февраля. 1 марта 1972 года тогдашняя ускорительная система NAL впервые ускорила пучок протонов. с расчетной энергией 200 ГэВ. К концу 1973 года ускорительная система NAL обычно работала на 300 ГэВ. [1]

14 мая 1976 года Фермилаб довел свои протоны до 500 ГэВ. Это достижение дало возможность ввести новую шкалу энергии - тераэлектронвольт (ТэВ), равную 1000 ГэВ. 17 июня того же года на европейском суперпротонном синхротронном ускорителе (SPS) был получен начальный циркулирующий протонный пучок (без ускоряющей радиочастотной мощности) всего 400 ГэВ. [8]

Обычное главное кольцо магнита было остановлено в 1981 году для установки под ним сверхпроводящих магнитов. Главное кольцо продолжало служить инжектором для Тэватрона, пока Главный инжектор не был завершен к западу от Главного кольца в 2000 году. [6] «Удвоитель энергии», как его тогда называли, произвел свой первый ускоренный пучок - 512 ГэВ - 3 июля 1983 г. [9]

Его начальная энергия 800 ГэВ была достигнута 16 февраля 1984 г. 21 октября 1986 г. ускорение на Тэватроне было увеличено до 900 ГэВ, что обеспечило первое столкновение протона с антипротоном при 1,8 ТэВ 30 ноября 1986 г. [10]

Main Injector , который заменил главное кольцо, [11] был наиболее существенным дополнением, построенным в течение шести лет с 1993 года по цене $ 290 миллионов людей . [12] Коллайдер Tevatron Run II начался 1 марта 2001 года после успешного завершения модернизации этого объекта. С тех пор пучок мог передавать энергию 980 ГэВ. [11]

16 июля 2004 г. Тэватрон достиг нового пика светимости , побив рекорд, ранее установленный старыми европейскими пересекающимися запоминающими кольцами (ISR) в ЦЕРН. Тот самый рекорд Фермилаба был удвоен 9 сентября 2006 г., затем чуть более чем утроен 17 марта 2008 г. и в конечном итоге увеличен в 4 раза по сравнению с предыдущим рекордом 2004 г. 16 апреля 2010 г. (до 4 × 10 32  см. −2 с −1 ). [10]

Тэватрон прекратил работу 30 сентября 2011 года. К концу 2011 года Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРН достиг светимости почти в десять раз выше, чем у Теватрона (3,65 × 10 33  см −2 с −1 ), и светимости пучка энергия 3,5 ТэВ каждый (с 18 марта 2010 г.), что уже в ~ 3,6 раза превышает возможности Тэватрона (при 0,98 ТэВ).

Механика [ править ]

Ускорение происходило в несколько этапов. Первой ступенью был предварительный ускоритель Кокрофта-Уолтона на 750 кэВ , который ионизировал газообразный водород и ускорял отрицательные ионы, созданные с помощью положительного напряжения . Затем ионы проходили в линейный ускоритель (линейный ускоритель) длиной 150 метров, который использовал колеблющиеся электрические поля для ускорения ионов до 400 МэВ . Затем ионы прошли через углеродную фольгу, чтобы удалить электроны , а заряженные протоны переместились в ускоритель . [13]

Ракета-носитель представляла собой небольшой круговой синхротрон, вокруг которого протоны проходили до 20 000 раз, достигая энергии около 8 ГэВ . Из бустера частицы подавались в главный инжектор, который был завершен в 1999 году для выполнения ряда задач. Он мог ускорять протоны до 150 ГэВ; производить протоны с энергией 120 ГэВ для создания антипротонов; увеличить энергию антипротонов до 150 ГэВ; и вводить протоны или антипротоны в Тэватрон. Антипротоны были созданы источником антипротонов . Протоны с энергией 120 ГэВ столкнулись с никелевой мишенью, образуя ряд частиц, включая антипротоны, которые можно было собирать и хранить в кольце аккумулятора. Кольцо могло передавать антипротоны в главный инжектор.

Тэватрон мог ускорять частицы из главного инжектора до 980 ГэВ. Протоны и антипротоны были ускорены в противоположных направлениях, пересекая пути в детекторах CDF и D0 и сталкиваясь при 1,96 ТэВ. Чтобы удерживать частицы на пути, Тэватрон использовал 774 ниобий-титановых сверхпроводящих дипольных магнита, охлаждаемых жидким гелием, создавая напряженность поля 4,2 Тл . Поле увеличивалось примерно за 20 секунд по мере ускорения частиц. Для фокусировки пучка использовались еще 240 квадрупольных магнитов NbTi . [2]

Первоначальная проектная светимость Тэватрона составляла 10 30 см -2 с -1 , однако после модернизации ускоритель смог обеспечить светимость до 4 × 10 32  см -2 с -1 . [14]

27 сентября 1993 года криогенная система охлаждения Тэватрон ускоритель была названа Международным историческим памятником в Американском обществе инженеров - механиков . Система, которая поставляла криогенный жидкий гелий сверхпроводящим магнитам Тэватрона, была крупнейшей низкотемпературной системой, существовавшей после ее завершения в 1978 году. Она удерживала катушки магнитов, которые изгибали и фокусировали пучок частиц, в сверхпроводящем состоянии. так что они потребляли только энергии, которая им потребовалась бы при нормальных температурах. [7]

Открытия [ править ]

Тэватрон подтвердил существование нескольких субатомных частиц, которые были предсказаны теоретической физикой элементарных частиц , или дал предположения об их существовании. В 1995 году совместные эксперименты CDF и D0 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 осцилляций B s и наблюдении двух типов сигма-барионов . [15] В 2007 году коллаборации DØ и CDF сообщили о прямом наблюдении за «Каскадом B» (
Ξ-
б) Xi барион . [16]

В сентябре 2008 года коллаборация DØ сообщила об обнаружении
Ω-
б, «двойной странный » барион Омега с измеренной массой, значительно превышающей предсказание кварковой модели. [17] [18] В мае 2009 года коллаборация CDF опубликовала результаты поиска
Ω-
бна основе анализа выборки данных, примерно в четыре раза большей, чем использованная в эксперименте DØ. [19] Измерения массы из эксперимента CDF были6 054 0,4 ± 6,8 МэВ / с 2 , и в хорошем согласии с предсказаниями стандартной модели, и отсутствие сигнала наблюдается в ранее сообщенного значения из эксперимента DØ. Два противоречивых результата от D0 и CDF отличаются на111 ± 18 МэВ / c 2 или на 6,2 стандартных отклонения. Из-за превосходного соответствия между массой, измеренной CDF, и теоретическим ожиданием, это убедительное свидетельство того, что частица, обнаруженная CDF, действительно является
Ω-
б. Ожидается, что новые данные экспериментов на LHC прояснят ситуацию в ближайшем будущем.

2 июля 2012 года, за два дня до запланированного объявления на Большом адронном коллайдере (LHC), ученые коллайдера Тэватрон из коллабораций CDF и DØ объявили о своих выводах из анализа около 500 триллионов столкновений, произведенных с 2001 года: они обнаружили, что существование бозона Хиггса было вероятным с массой от 115 до 135 ГэВ. [20] [21] Статистическая значимость наблюдаемых признаков составляла 2,9 сигма, что означало, что существует только шанс 1 из 550, что сигнал такой величины возник бы, если бы на самом деле не существовало частицы с такими свойствами. Однако окончательный анализ данных с Тэватрона не разрешил вопрос о том, существует ли частица Хиггса. [3] [22]Только тогда, когда 4 июля 2012 г. ученые с Большого адронного коллайдера объявили о более точных результатах LHC с массой 125,3 ± 0,4 ГэВ ( CMS ) [23] или 126 ± 0,4 ГэВ ( ATLAS ) [24] соответственно, там было убедительные доказательства существования частицы Хиггса в этом диапазоне масс через последовательные измерения на LHC и Tevatron.

Сбои из-за землетрясений [ править ]

Землетрясения, даже если они происходили за тысячи миль, действительно вызывали достаточно сильные движения магнитов, чтобы отрицательно повлиять на качество луча и даже нарушить его. Поэтому на магнитах Tevatron были установлены наклономеры для отслеживания минутных перемещений и быстрого определения причины проблем. Первым известным землетрясением, нарушившим луч, было землетрясение в Денали в 2002 году , а другое отключение коллайдера вызвано умеренным локальным землетрясением 28 июня 2004 года. [25] С тех пор на Теватроне были обнаружены мельчайшие сейсмические колебания, исходящие от более чем 20 землетрясений. без остановки, как землетрясение в Индийском океане 2004 г., землетрясение Ниас – Симеулу в 2005 г., землетрясение в Гисборне 2007 г. в Новой Зеландии ,Землетрясение 2010 года на Гаити и землетрясение в Чили 2010 года . [26]

См. Также [ править ]

  • Беватрон
  • Большой адронный коллайдер
  • Сверхпроводящий суперколлайдер
  • Космические лучи сверхвысокой энергии

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d «История ускорителя - главное кольцо» . Проект истории и архивов Фермилабов . Проверено 7 октября 2012 года .
  2. ^ а б Р. Р. Уилсон (1978). «Тэватрон» . Фермилаб . ФЕРМИЛАБ-ТМ-0763. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  3. ^ a b «Ученые Tevatron объявляют свои окончательные результаты по частице Хиггса» . Национальная ускорительная лаборатория Ферми. 2 июля 2012 . Проверено 7 июля 2012 года .
  4. ↑ Марк Альперт (29 сентября 2011 г.). «Будущее ведущей лаборатории физики элементарных частиц США в опасности» . Scientific American . Проверено 7 октября 2012 года .
  5. ^ Вишневский, Рианна (2012-02-01). «Гордое наследие Тэватрона» . Журнал Симметрия . Фермилаб / SLAC.
  6. ^ a b «История ускорителя - переход главного кольца к удвоителю / энергосбережению» . Проект истории и архивов Фермилабов . Проверено 7 октября 2012 года .
  7. ^ a b "Криогенная система охлаждения Fermilab Tevatron" . ASME . 1993 . Проверено 12 августа 2015 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  8. ^ «Супер протонный синхротрон отмечает свое 25-летие» . Курьер ЦЕРН . 2 июля 2011 . Проверено 7 октября 2012 года .
  9. ^ «1983 - Год Тэватрон ожил» . Новости Ферми . 26 (15). 2003 г.
  10. ^ a b «Интерактивная шкала времени» . Фермилаб . Проверено 7 октября 2012 года .
  11. ^ a b «Бег II начинается в Тэватроне» . Курьер ЦЕРН . 30 апреля 2001 . Проверено 7 октября 2012 года .
  12. ^ «История главного инжектора и кольца рециклера и общественная информация» . Отделение главного инжектора Фермилаб. Архивировано из оригинального 15 октября 2011 года . Проверено 7 октября 2012 года .
  13. ^ "Ускорители - цепь ускорителей Фермилаб" . Фермилаб . 15 января 2002 . Проверено 2 декабря 2009 года .
  14. ^ Теватрон коллайдер: тридцатилетние кампании архивация 2010-05-27 в Wayback Machine
  15. ^ «Экспериментаторы Фермилаб обнаруживают экзотических родственников протонов и нейтронов» . Фермилаб. 2006-10-23 . Проверено 23 октября 2006 .
  16. ^ "Спина к спине b Барионы в Батавии" . Фермилаб. 2007-07-25 . Проверено 25 июля 2007 .
  17. ^ "Физики Фермилаба открывают" вдвойне странную "частицу" . Фермилаб. 3 сентября 2008 . Проверено 4 сентября 2008 .
  18. ^ В.М. Абазов и др. ( Сотрудничество DØ ) (2008). "Наблюдение за дважды странным барионом
    Ω-
    б    ». Physical Review Letters . 101 (23): 231002. Arxiv : 0808,4142 . Bibcode : 2008PhRvL.101w2002A . Дои : 10,1103 / PhysRevLett.101.232002 . PMID  19113541 . S2CID  30481085 .
  19. ^ T. Aaltonen et al. ( Сотрудничество CDF ) (2009). "Наблюдение за
    Ω-
    б     и измерение свойств
    Ξ-
    б     и
    Ω-
    б    ». Physical Review D . 80 (7): 072003. Arxiv : 0905,3123 . Bibcode : 2009PhRvD..80g2003A . Дои : 10,1103 / PhysRevD.80.072003 .
  20. ^ «Обновленная комбинация поисков CDF и DØ для производства бозона Хиггса стандартной модели с объемом данных до 10,0 фб-1» . Новые явления Теватрона и рабочая группа Хиггса. Июнь 2012 . Проверено 2 августа 2012 года .
  21. ^ Aaltonen, T .; Абазов ВМ; Abbott, B .; Ачарья, BS; Адамс, М .; Adams, T .; Алексеев, Г.Д .; Алхазов, Г .; Alton, A .; Álvarez González, B .; Alverson, G .; Amerio, S .; Amidei, D .; Анастасов, А .; Annovi, A .; Antos, J .; Apollinari, G .; Appel, JA; Arisawa, T .; Артыков, А .; Asaadi, J .; Ашманскас, В .; Аскью, А .; Аткинс, S .; Auerbach, B .; Augsten, K .; Aurisano, A .; Avila, C .; Azfar, F .; и другие. (Июль 2012 г.). «Свидетельства того, что частица возникает в связи со слабыми бозонами и распадается на пару нижний антидонный кварк в поисках бозона Хиггса на Теватроне» . Письма с физическим обзором . 109 (7): 071804. arXiv : 1207.6436 . Bibcode : 2012PhRvL.109g1804A. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.109.071804 . PMID  23006359 . S2CID  20050195 . Проверено 2 августа 2012 года .
  22. ↑ Ребекка Бойл (2 июля 2012 г.). «Дразнящие признаки бозона Хиггса, обнаруженные американским коллайдером Тэватрон» . Популярная наука . Проверено 7 июля 2012 года .
  23. ^ Сотрудничество с CMS (31 июля 2012 г.). «Наблюдение нового бозона с массой 125 ГэВ в эксперименте CMS на LHC». Физика Письма Б . 716 (2012): 30–61. arXiv : 1207,7235 . Bibcode : 2012PhLB..716 ... 30С . DOI : 10.1016 / j.physletb.2012.08.021 .
  24. ^ ATLAS сотрудничество (31 июля 2012). «Наблюдение новой частицы в поисках стандартной модели бозона Хиггса с помощью детектора ATLAS на LHC». Физика Письма Б . 716 (2012): 1-29. arXiv : 1207,7214 . Bibcode : 2012PhLB..716 .... 1A . DOI : 10.1016 / j.physletb.2012.08.020 .
  25. ^ Это было землетрясение? Спросите Теватрона
  26. ↑ Теватрон видит землетрясение на Гаити

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Валерий Лебедев, Владимир Шильцев, изд. (2014). Физика ускорителей на коллайдере Тэватрон . Ускорение и обнаружение частиц. Springer. DOI : 10.1007 / 978-1-4939-0885-1 . ISBN 978-1-4939-0884-4.

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с Теватроном, на Викискладе?
  • Текущий статус Тэватрон
  • Страница FermiLab для Tevatron - с маркированными компонентами
  • Охота на Хиггса на Тэватроне
  • Технические детали ускорителей

Координаты : 41.832 ° N 88.252 ° W41 ° 49′55 ″ с.ш. 88 ° 15′07 ″ з.д. /  / 41.832; -88.252