Tevatron deeltjesversneller

Tevatron, deeltjesversneller die zich bevond in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois. Fermilab is en de Tevatron werd beheerd voor het Amerikaanse Department of Energy door de Universities Research Association, een consortium van 85 universiteiten in de Verenigde Staten en vier universiteiten die Canada, Italië en Japan vertegenwoordigen. De Tevatron was tot 2009 's werelds meest energetische deeltjesversneller, toen hij werd verdrongen door de Large Hadron Collider van de European Organization for Nuclear Research (CERN). De Tevatron sloot op 30 september 2011.

De Tevatron werd in de jaren 80 gebouwd onder de eerste deeltjesversneller van Fermilab, een protonsynchrotron in een cirkelvormige tunnel met een omtrek van 6,3 km (3,9 mijl). De Tevatron was een supergeleidende synchrotron die profiteerde van de hogere magnetische veldsterktes geproduceerd door 1000 supergeleidende magneten om protonen te versnellen tot aanzienlijk hogere energieniveaus. De hele ring werd door vloeibaar helium op 4,5 kelvin (-268,7 ° C of -451,6 ° F) gehouden. De originele synchrotron werd onderdeel van het preaccelerator-injectiesysteem voor de Tevatron, versnelde deeltjes tot 150 GeV (1 GeV = 1 giga elektronvolt = 1 miljard elektronvolt) en bracht ze vervolgens over naar de nieuwe supergeleidende ring voor versnelling tot 900 GeV. In 1987 begon de Tevatron te werken als een proton-antiproton-botser - met 900 GeV-protonen die 900-GeV-antiprotonen raken om totale botsingsenergieën van 1,8 tera-elektronvolts (TeV; 1,8 biljoen elektronvolt) te leveren. De oorspronkelijke hoofdring werd in 1999 vervangen door een nieuwe voorversneller, de hoofdinjector, die een magneetring van 3,3 km (2,1 mijl) had. De Main Injector leverde meer intense stralen aan de Tevatron en verhoogde zo het aantal deeltjesbotsingen met een factor 10.

De belangrijkste ontdekking van de Tevatron was die van de top-quark, de zesde en meest massieve quark, in 1995. Wetenschappers leidden het bestaan ​​af van de top-quark, geproduceerd als gevolg van botsingen van 1,8 TeV proton-antiproton, op basis van zijn verval kenmerken. In 2010 gebruikten wetenschappers de Tevatron om een ​​lichte voorkeur te detecteren voor B-mesonen (deeltjes die een onderste quark bevatten) om te vervallen in muonen in plaats van antimuonen. Deze schending van de ladingsymmetrie zou kunnen leiden tot een verklaring waarom er meer materie dan antimaterie in het universum is.

Bij Fermilab ontstond de protonenbundel, aanvankelijk onder het mom van negatieve waterstofionen (elk een enkel proton met twee elektronen), in een Cockcroft-Walton generator van 750 kV en werd versneld tot 400 MeV in een lineaire versneller. Vervolgens verwijderde een koolstoffolie de elektronen van de ionen en werden de protonen in de Booster geïnjecteerd, een kleine synchrotron met een diameter van 150 meter (500 voet), waardoor de deeltjes werden versneld tot 8 GeV. Vanuit de Booster werden de protonen overgebracht naar de Main Injector, waar ze verder werden versneld tot 150 GeV voordat ze naar de laatste fase van acceleratie in de Tevatron werden gevoerd.

De antiprotonen werden geproduceerd door protonen, versneld tot 120 GeV vanaf de hoofdinjector in Fermilab, op een nikkeldoel te richten. De antiprotons werden gescheiden van andere deeltjes die bij de botsingen bij het doelwit werden geproduceerd en werden gefocusseerd door een lithiumlens voordat ze in een ring, de debuncher genaamd, werden gevoerd, waar ze stochastische koeling ondergingen. Ze werden eerst doorgegeven aan een accumulatorring en vervolgens aan de Recycler-ring, waar ze werden opgeslagen totdat er een voldoende aantal was voor injectie in de hoofdinjector. Dit zorgde voor een versnelling tot 150 GeV voordat het werd overgebracht naar de Tevatron.

Protonen en antiprotonen werden gelijktijdig in de Tevatron versneld tot ongeveer 1 TeV, in tegengestelde balken. Nadat ze hun maximale energie hadden bereikt, werden de twee bundels opgeslagen en mochten ze vervolgens botsen op punten rond de ring waar detectoren zich bevonden om deeltjes te vangen die bij de botsingen waren geproduceerd.

Tijdens opslag in de Tevatron spreiden de balken zich geleidelijk uit zodat botsingen minder vaak voorkomen. De balken werden in dit stadium in een grafietdoel "gedumpt" en er werden nieuwe balken gemaakt. Dit proces verspilde tot 80 procent van de antiprotons, die moeilijk te maken waren, dus toen de Main Injector werd gebouwd, werd er ook een machine gebouwd om de oude antiprotons op te halen en op te slaan. De Recycler, gelegen in dezelfde tunnel als de Main Injector, was een opslagring gebouwd van 344 permanente magneten. Omdat het in dit stadium niet nodig was om de energie van de antiprotonen te variëren, hoefde het magnetische veld niet te veranderen. Door het gebruik van permanente magneten zijn energiekosten bespaard. De Recycler “koelde” de oude antiprotons van de Tevatron en integreerde ze ook met een nieuwe antiprotonbundel van de accumulator. De meer intense antiprotonstralen geproduceerd door de Recycler verdubbelden het aantal botsingen in de Tevatron.

Tot 2000 werden protonen op 800 GeV geëxtraheerd uit de Tevatron en gericht op doelen om een ​​verscheidenheid aan deeltjesbundels op te leveren voor verschillende experimenten. De hoofdinjector werd toen de belangrijkste machine voor het leveren van geëxtraheerde bundels, met een lagere energie van 120 GeV maar met veel hogere intensiteiten dan de geleverde Tevatron.