Tevatron- Tevatron
| Jenseits des Standardmodells |
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| Standardmodell |
 Die Tevatron (Hintergrund) und Hauptinjektors Ringe
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| Sich kreuzende Speicherringe | CERN , 1971–1984 |
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| Proton-Antiproton Collider ( SPS ) | CERN , 1981–1991 |
| ISABELLE | BNL , abgesagt 1983 |
| Tevatron | Fermilab , 1987–2011 |
| Supraleitender Super Collider | Abgesagt im Jahr 1993 |
| Relativistischer Schwerionenbeschleuniger | BNL , 2000–heute |
| Large Hadron Collider | CERN , 2009–heute |
| Zukünftiger Circular Collider | Vorgeschlagen |
Der Tevatron war ein kreisförmiger Teilchenbeschleuniger (aktiv bis 2011) in den Vereinigten Staaten am Fermi National Accelerator Laboratory (auch bekannt als Fermilab ), östlich von Batavia, Illinois , und ist nach dem Large . der zweithöchste Teilchenbeschleuniger, der jemals gebaut wurde Hadron Collider (LHC) der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) bei Genf, Schweiz . Das Tevatron war ein Synchrotron , das Protonen und Antiprotonen in einem Ring von 6,28 km (3,90 Meilen) auf Energien von bis zu 1 TeV beschleunigte , daher der Name. Der Tevatron wurde 1983 mit Kosten von 120 Millionen US-Dollar fertiggestellt und während seiner aktiven Jahre von 1983 bis 2011 wurden erhebliche Upgrade-Investitionen getätigt.
Die wichtigste Errungenschaft des Tevatrons war 1995 die Entdeckung des Top-Quarks – des letzten fundamentalen Fermions , das vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt wurde . Am 2. Juli 2012 Wissenschaftler der CDF und DØ Collider Experiment Teams bei Fermilab kündigte die Ergebnisse der Analyse von rund 500 Billionen Kollisionen aus dem Tevatron Collider seit 2001 produziert und stellte fest , dass die Existenz des vermuteten Higgs - Boson sehr wahrscheinlich war mit eine Konfidenz von 99,8 %, die sich später auf über 99,9 % verbesserte.
Das Tevatron stellte den Betrieb am 30. September 2011 aufgrund von Budgetkürzungen und wegen der Fertigstellung des LHC ein, der Anfang 2010 in Betrieb ging und weitaus leistungsstärker ist (geplante Energien waren zwei 7 TeV Strahlen am LHC gegenüber 1 TeV am Tevatron). Der Hauptring des Tevatrons wird wahrscheinlich in zukünftigen Experimenten wiederverwendet und seine Komponenten auf andere Teilchenbeschleuniger übertragen.
Geschichte
Am 1. Dezember 1968 erfolgte der Spatenstich für den Linearbeschleuniger (Linac). Der Bau des Hauptbeschleunigergehäuses begann am 3. Oktober 1969, als die erste Schaufel Erde von Robert R. Wilson , dem Direktor von NAL, gedreht wurde. Dies würde der Hauptring von Fermilab mit einem Umfang von 6,3 km werden.
Der erste 200-MeV-Strahl des Linac startete am 1. Dezember 1970. Der erste 8-GeV-Strahl des Boosters wurde am 20. Mai 1971 produziert. Am 30. Juni 1971 wurde zum ersten Mal ein Protonenstrahl durch das gesamte Beschleunigersystem des National Accelerator Laboratory geführt einschließlich des Hauptrings. Der Strahl wurde auf nur 7 GeV beschleunigt. Damals nahm der Booster Accelerator 200 MeV Protonen vom Linac und "bohte" ihre Energie auf 8 Milliarden Elektronenvolt. Sie wurden dann in den Hauptbeschleuniger injiziert.
Im selben Jahr vor der Fertigstellung des Hauptrings bezeugte Wilson am 9. März 1971 vor dem Joint Committee on Atomic Energy, dass es möglich sei, mit supraleitenden Magneten eine höhere Energie zu erreichen . Er schlug auch vor, den gleichen Tunnel wie den Hauptring zu verwenden und die neuen Magnete an den gleichen Orten parallel zu den bestehenden Magneten des Hauptrings zu betreiben. Das war der Ausgangspunkt des Tevatron-Projekts. Der Tevatron befand sich zwischen 1973 und 1979 in der Forschungs- und Entwicklungsphase, während die Beschleunigung am Mainring weiter verbessert wurde.
Durch eine Reihe von Meilensteinen stieg die Beschleunigung am 22. Januar 1972 auf 20 GeV, am 4. Februar auf 53 GeV und am 11. Februar auf 100 GeV. Am 1. März 1972 beschleunigte das damalige NAL-Beschleunigersystem erstmals einen Protonenstrahl auf seine Designenergie von 200 GeV. Ende 1973 lief das Beschleunigersystem von NAL routinemäßig mit 300 GeV.
Am 14. Mai 1976 brachte Fermilab seine Protonen bis auf 500 GeV. Diese Errungenschaft bot die Gelegenheit, eine neue Energieskala einzuführen, das Teraelektronenvolt (TeV), gleich 1000 GeV. Am 17. Juni desselben Jahres hatte der europäische Super-Proton-Synchrotron- Beschleuniger (SPS) einen anfänglichen zirkulierenden Protonenstrahl (ohne beschleunigende Hochfrequenzleistung) von nur 400 GeV erreicht.
Der konventionelle Magnet-Hauptring wurde 1981 stillgelegt, um darunter supraleitende Magnete zu installieren. Der Hauptring diente weiterhin als Injektor für das Tevatron, bis der Hauptinjektor im Jahr 2000 westlich des Hauptrings fertiggestellt wurde , 1983.
Seine Anfangsenergie von 800 GeV wurde am 16. Februar 1984 erreicht. Am 21. Oktober 1986 wurde die Beschleunigung am Tevatron auf 900 GeV erhöht, was am 30. November 1986 zu einer ersten Proton-Antiproton-Kollision bei 1,8 TeV führte.
Der Hauptinjektor , der den Hauptring ersetzte, war die bedeutendste Ergänzung, die ab 1993 über sechs Jahre gebaut wurde und 290 Millionen US-Dollar kostete. Tevatron-Beschleuniger Run II begann am 1. März 2001, nach erfolgreichem Abschluss dieser Anlagenaufrüstung. Von da an war der Strahl in der Lage, eine Energie von 980 GeV zu liefern.
Am 16. Juli 2004 erreichte die Tevatron eine neue Höhepunkt Leuchtkraft , den Rekord zuvor von den alten europäischen gehalten Schneidene Speicherringen (ISR) am CERN. Das ist sehr Fermilab Rekord am 9. September verdoppelt wurde 2006 dann ein bisschen mehr als am 17. März verdreifachte, 2008 und schließlich um den Faktor 4 gegenüber dem Vorjahr 2004 Rekord multipliziert am 16. April 2010 (bis zu 4 × 10 32 cm -2 s -1 ).
Das Tevatron stellte am 30. September 2011 den Betrieb ein. Bis Ende 2011 hatte der Large Hadron Collider (LHC) am CERN eine fast zehnmal höhere Leuchtkraft als Tevatron (bei 3,65 × 10 33 cm −2 s −1 ) und einen Strahl Energie von jeweils 3,5 TeV (seit 18. März 2010), bereits ~3,6 mal so viel Leistung wie das Tevatron (bei 0,98 TeV).
Mechanik
Die Beschleunigung erfolgte in mehreren Stufen. Die erste Stufe war der 750 keV Cockcroft-Walton -Vorbeschleuniger, der Wasserstoffgas ionisierte und die erzeugten negativen Ionen mit einer positiven Spannung beschleunigte . Die Ionen gelangten dann in den 150 Meter langen Linearbeschleuniger (Linac), der die Ionen mit oszillierenden elektrischen Feldern auf 400 MeV beschleunigte . Die Ionen passierten dann eine Kohlenstofffolie, um die Elektronen zu entfernen , und die geladenen Protonen bewegten sich dann in den Booster .
Der Booster war ein kleines kreisförmiges Synchrotron, das die Protonen bis zu 20.000 Mal umrundeten, um eine Energie von etwa 8 GeV zu erreichen . Vom Booster wurden die Partikel in den Main Injector geleitet, der 1999 fertiggestellt wurde, um eine Reihe von Aufgaben zu erfüllen. Es könnte Protonen auf bis zu 150 GeV beschleunigen; produzieren 120 GeV Protonen für die Antiprotonenbildung; Erhöhung der Antiprotonenenergie auf 150 GeV; und injizieren Protonen oder Antiprotonen in das Tevatron. Die Antiprotonen wurden von der Antiproton Source erzeugt . 120 GeV-Protonen wurden mit einem Nickel-Target kollidiert, wobei eine Reihe von Partikeln einschließlich Antiprotonen erzeugt wurden, die gesammelt und im Akkumulatorring gespeichert werden konnten. Der Ring könnte dann die Antiprotonen an den Hauptinjektor weitergeben.
Das Tevatron könnte die Teilchen des Hauptinjektors auf bis zu 980 GeV beschleunigen. Die Protonen und Antiprotonen wurden in entgegengesetzten Richtungen beschleunigt wird , über den Weg in den CDF und DØ Detektoren kollidiert bei 1,96 TeV. Zu halten , um die Teilchen auf der Spur 774 verwendet Tevatron Niob-Titan - supraleitenden Dipol - Magneten gekühlt in flüssigem Helium um die Feldstärke von 4,2 Herstellung tesla . Das Feld stieg über etwa 20 Sekunden an, während die Teilchen beschleunigten. Weitere 240 NbTi Quadrupolmagnete wurden verwendet, um den Strahl zu fokussieren.
Die anfängliche Designhelligkeit des Tevatrons betrug 10 30 cm -2 s -1 , jedoch konnte der Beschleuniger nach Upgrades Helligkeiten von bis zu 4 × 10 32 cm -2 s -1 liefern .
Am 27. September 1993 wurde das kryogene Kühlsystem des Tevatron-Beschleunigers von der American Society of Mechanical Engineers zum International Historic Landmark ernannt . Das System, das die supraleitenden Magnete des Tevatron mit kryogenem flüssigem Helium versorgte, war bei seiner Fertigstellung 1978 das größte existierende Tieftemperatursystem. Es hielt die Spulen der Magnete, die den Teilchenstrahl beugten und fokussierten, in einem supraleitenden Zustand. so dass sie nur ⅓ der Energie verbrauchten, die sie bei normalen Temperaturen benötigt hätten.
Entdeckungen
Das Tevatron bestätigte die Existenz mehrerer subatomarer Teilchen , die von der theoretischen Teilchenphysik vorhergesagt wurden , oder gab Hinweise auf ihre Existenz. 1995 gaben das CDF-Experiment und die DØ-Experiment- Kollaborationen die Entdeckung des Top-Quarks bekannt , und 2007 maßen sie seine Masse (172 GeV) mit einer Genauigkeit von fast 1%. Im Jahr 2006 berichtete die CDF-Kollaboration über die erste Messung von B s -Oszillationen und die Beobachtung von zwei Arten von Sigma-Baryonen . 2007 berichteten die DØ- und CDF-Kollaborationen von der direkten Beobachtung der "Kaskade B" (
Ξ−
b) Xi-Baryon .
Im September 2008 meldete die DØ-Kollaboration die Entdeckung des
Ω−
b, ein "doppelt seltsames " Omega-Baryon mit der gemessenen Masse deutlich höher als die Quark-Modellvorhersage. Im Mai 2009 veröffentlichte die CDF-Kollaboration ihre Ergebnisse auf der Suche nach
Ω−
bbasierend auf der Analyse der Datenprobe, die ungefähr viermal größer ist als die beim DØ-Experiment verwendete. Die Massenmessungen aus dem CDF-Experiment waren6 054 , 4 ± 6,8 MeV/ c 2 und in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Standardmodells, und bei dem zuvor berichteten Wert aus dem DØ-Experiment wurde kein Signal beobachtet. Die beiden inkonsistenten Ergebnisse von DØ und CDF unterscheiden sich um111 ± 18 MeV/ c 2 oder um 6,2 Standardabweichungen. Aufgrund der ausgezeichneten Übereinstimmung zwischen der von CDF gemessenen Masse und der theoretischen Erwartung ist dies ein starker Hinweis darauf, dass das von CDF entdeckte Teilchen tatsächlich das
Ω−
b. Es wird erwartet, dass neue Daten aus LHC- Experimenten die Situation in naher Zukunft klären werden.
Am 2. Juli 2012, zwei Tage vor einer geplanten Ankündigung am Large Hadron Collider (LHC), gaben Wissenschaftler des Tevatron Colliders der Kollaborationen CDF und DØ ihre Ergebnisse aus der Analyse von rund 500 Billionen Kollisionen seit 2001 bekannt: Sie fanden heraus, dass die Existenz des Higgs-Bosons war mit einer Masse im Bereich von 115 bis 135 GeV wahrscheinlich. Die statistische Signifikanz der beobachteten Zeichen betrug 2,9 Sigma, was bedeutete, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Signal dieser Größenordnung aufgetreten wäre, wenn tatsächlich kein Teilchen mit diesen Eigenschaften existiert hätte, nur 1 zu 550 besteht. Die endgültige Analyse der Daten des Tevatrons hat jedoch nicht die Frage geklärt, ob das Higgs-Teilchen existiert. Erst wenn die Wissenschaftler aus dem Large Hadron Collider 4 die präziseren LHC Ergebnissen am Juli angekündigt, 2012, mit einer Masse von 125,3 ± 0,4 GeV ( CMS ) oder 126 ± 0,4 GeV ( ATLAS ) bzw. gab es starke Beweise durch konsequente Messungen durch der LHC und das Tevatron für die Existenz eines Higgs-Teilchens in diesem Massenbereich.
Störungen durch Erdbeben
Erdbeben, selbst wenn sie Tausende von Kilometern entfernt waren, verursachten starke Bewegungen in den Magneten, um die Strahlqualität negativ zu beeinflussen und sogar zu stören. Aus diesem Grund wurden Neigungsmesser an den Magneten von Tevatron installiert, um winzige Bewegungen zu überwachen und die Ursache von Problemen schnell zu identifizieren. Das erste bekannte Erdbeben, das den Strahl unterbrach, war das Denali-Erdbeben 2002 , mit einer weiteren Abschaltung des Colliders, die durch ein moderates lokales Beben am 28. Juni 2004 verursacht wurde , wie das Erdbeben im Indischen Ozean 2004 , das Nias-Simeulue-Erdbeben 2005 , das Gisborne-Erdbeben 2007 in Neuseeland , das Haiti-Erdbeben 2010 und das Chile-Erdbeben 2010 .
Siehe auch
- Bevatron
- Large Hadron Collider
- Supraleitender Super Collider
- Ultrahochenergetische kosmische Strahlung
Verweise
Weiterlesen
- Valery Lebedew, Vladimir Shiltsev, hrsg. (2014). Beschleunigerphysik am Tevatron Collider . Teilchenbeschleunigung und -detektion. Springer. doi : 10.1007/978-1-4939-0885-1 . ISBN 978-1-4939-0884-4.
Externe Links
-
Medien im Zusammenhang mit Tevatron bei Wikimedia Commons - Live-Tevatron-Status
- FermiLab-Seite für Tevatron - mit gekennzeichneten Komponenten
- Die Jagd nach den Higgs bei Tevatron
- Technische Details der Beschleuniger
