Теватрон

Координаты: 41°49′54.85″ с. ш. 88°15′06.17″ з. д. / 41.831904, -88.251715 ^(G) (O)41.831904, -88.251715

Теватрон (на заднем плане) и кольца Главного инжектора

Теватрон (англ. Tevatron) — кольцевой ускоритель-коллайдер, расположенный в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми в городке Батавия штата Иллинойс, недалеко от Чикаго. Теватрон — синхротрон, ускоряющий заряженные частицы — протоны и антипротоны в подземном кольце длиной 6,3 км до энергии 980 ГэВ (~ 1 ТэВ), отсюда машина получила свое имя — Теватрон^[1]. Строительство Теватрона было закончено в 1983 году, стоимость постройки — около 120 млн долл., с тех пор Теватрон претерпел несколько модернизаций. Наиболее крупной было строительство Главного Инжектора, проводившееся в течение 5 лет (1994—1999). До 1994 года каждый пучок ускорителя имел энергию 900 ГэВ. Ускоритель завершил свою работу в 2011 году после 28 лет работы.

Состав ускорительного комплекса Теватрона

Ускорение частиц в Теватроне происходит в несколько этапов. На первой стадии 750 кэВ предускоритель — генератор Кокрофта-Волтона ускоряет отрицательно заряженные ионы водорода. Ионы пролетают 150-метровый линейный ускоритель (линак), ускоряющий частицы с помощью переменного электрического поля до энергии 400 МэВ. Затем ионы проходят через углеродную фольгу, теряют электроны и уже протоны влетают в Бустер.

Бустер — небольшой кольцевой магнитный ускоритель. Протоны пролетают около 20000 кругов в этом ускорителе и приобретают энергию около 8 ГэВ. Из Бустера частицы поступают в Главный Инжектор, выполняющий несколько задач. Он ускоряет протоны до энергии 150 ГэВ, производит протоны энергии 120 ГэВ для рождения антипротонов и ускоряет антипротоны также до 150 ГэВ. Последняя его задача — инжекция протонов и антипротонов в главное ускорительное кольцо Теватрона. Антипротоны рождаются в так называемом Антипротонном Источнике, где протоны энергии 120 ГэВ бомбардируют неподвижную никелевую мишень. В результате рождается огромное число частиц разных типов, включая антипротоны, которые накапливаются и охлаждаются в накопительном кольце. Затем антипротоны инжектируются в Главный Инжектор.

Теватрон ускоряет протоны и антипротоны до энергии 980 ГэВ, это означает, что кинетическая энергия частиц в 1000 раз больше, чем их масса, а скорость практически равна скорости света. Теватрон — машина коллайдерного типа. Это означает, что протоны и антипротоны летят в противоположных направлениях и сталкиваются в нескольких точках ускорительного кольца, где располагаются детекторы частиц. Всего в туннеле Теватрона установлено 2 детектора — CDF (англ.) и D0 (англ.). Для того, чтобы удержать частицы в канале ускорителя используются сверхпроводящие дипольные магниты, охлажденные до температуры жидкого гелия. Магниты создают магнитное поле напряженностью 4,2 Тесла.

Наиболее важные открытия, сделанные в экспериментах на ускорителе Теватрон

• 2 марта 1995 года коллаборации CDF и D0 объявили об открытии последнего кварка Стандартной модели — t-кварка^[2], в 2007 году точность измерения его массы достигла 1 %.
• 18 ноября 1996 года в ходе эксперимента E866 были получены 7 атомов антиводорода, впоследствии число получаемых атомов возросло до нескольких сотен^[3]. Целью эксперимента является изучение спектра антиводорода и его сравнение со спектром водорода.
• 5 марта 1998 года был открыт $B^{+}_c$-мезон, состоящий из c- и $\overline{b}$-кварков^[4].
• 1 марта 1999 года было объявлено об открытии еще одного вида нарушения CP-инвариантности при изучении распада нейтральных каонов (эксперимент KTeV)^[5].
• 20 июля 2000 года в ходе эксперимента DONuT впервые были непосредственно зарегистрированы тау-нейтрино, взаимодействующие с ядрами атомов железа с образованием тау-лептонов. Более ранние эксперименты регистрации тау-нейтрино были косвенными^[6].
• 25 сентября 2006 году коллаборации впервые наблюдали осцилляции в системе B_s-мезонов^[7][8].
• 23 октября 2006 года открыты Σ_b- и $\Sigma_b^{*}$-барионы^[9][8].
• В 2007 году коллаборации сообщили о наблюдении $\Xi_b^{-}$-бариона^[8].
• В 2008 году коллаборацией CDF было объявлено об обнаружении аномального события. Рождение мюонов происходило на значительном расстоянии от места столкновения протон-антипротонных пучков^[10], что может являться следствием рождения новой частицы, впоследствии распадающейся на мюоны^[11]. Коллаборация D0 это не подтвердила^[12].
• В 2009 году (по другим данным^[13], 3 сентября 2008 года) коллаборации сообщили о наблюдении $\Omega_b^{-}$-бариона^[8].
• 9 марта 2009 года коллаборации сообщили о регистрации событий рождения одиночных t-кварков^[14].
• В 2009 году коллаборация CDF объявила о регистрации аномального пика в ходе исследования энергий рождающихся электрон-позитронных пар в области 240 ГэВ, который может свидетельствовать о регистрации новой элементарной частицы. Подтверждения открытия в других источниках нет^[15].
• В 2010 году коллаборация CDF объявила об обнаружении асимметрии между угловыми распределении рождающихся топ-кварков и анти-топ-кварков, на 3,4σ отличающегося от предсказаний Стандартной модели^[16]. В 2011 году коллаборация D0 после обработки данных 5,4 fb⁻¹ подтвердила существование обнаруженного эффекта^[17]. Измеренная асимметрия составляет 19,6±6,5 % при теоретических предсказаниях около 5 %. На протон-протонном LHC (в отличие от протон-антипротонного Тэватрона) подобная асимметрия не наблюдается^[18]. Теоретических объяснений обнаруженному эффекту на данный момент нет.

Внешние изображения
Распределение событий по инвариантной массе двух струй
	[1]

• В апреле 2011 года коллаборация CDF объявила о наличии аномального пика в области инвариантной массы двух адронных струй 140—150 ГэВ («Wjj-аномалия»), возникающего при рождении W-бозона и не предсказываемого в рамках Стандартной модели. Полученный пик может соответствовать новой частице (не являющейся бозоном Хиггса), новому фундаментальному взаимодействию (частица может являться его гипотетическим бозоном), либо являться следствием систематической ошибки при измерении энергий струй. Полученные результаты нуждаются в перепроверке^[19][20], однозначной трактовки «открытия» пока нет^[21]. Опубликованные в мае 2011 года данные, полученные на большей статистике, подтверждают существование аномального пика со статистической достоверностью, близкой к 5σ^[22]. В июне 2011 года коллаборация D0 опубликовала работу, в которой наличие аномального пика не подтвердилось^[23].
• 20 июня 2011 года коллаборация CDF сообщила о наблюдении 25 событий рождения новой элементарной частицы — $\Xi_b^0$-бариона — на уровне статистической значимости 7σ, предсказанной в рамках Стандартной модели и состоящей из s-, b- и u-кварков^[8][24].

Завершение работы

Теватрон заметно уступал Большому адронному коллайдеру по таким основным показателям, как энергия сталкиваемых частиц и светимость, в связи с чем ожидания физиков связаны в первую очередь с БАК. Относительно устаревший Теватрон не получил достаточно финансирования для продления работы.^[25]

В пятницу, 30 сентября 2011 года в 15:30 по североамериканскому восточному времени (1 октября в 01:30 MSK) ускоритель был остановлен, и завершил свою работу. Для церемонии остановки ускорителя были установлены две кнопки — красная, прекращающая подачу в ускоритель протонов и антипротонов, и синяя — отключающая электроснабжение Тэватрона. Нажать кнопки доверили физику Элен Эдвардс (англ. Helen Edwards).^[26][27]

См. также

• LEP
• Большой адронный коллайдер (LHC)
• Бэватрон
• Зэватрон

Примечания

1. ↑ FERMILAB-TM-0763 Wilson, R.R. Fermilab, The Tevatron, 1978.
2. ↑ Fermilab - Top Quark Press Release (Historical)
3. ↑ Press Pass - Press Releases
4. ↑ http://www.fnal.gov/pub/ferminews/FermiNews98-03-20.pdf
5. ↑ Press Pass - Press Releases
6. ↑ Press Pass - Press Releases
7. ↑ Press Pass - Press Release - CDF B_s
8. ↑ ^{1 2 3 4 5} 20 July 2011: Fermilab — Fermilab experiment discovers a heavy relative of the neutron
9. ↑ Press Pass - Press Release - B Hadron
10. ↑ [0810.5357] Study of multi-muon events produced in p-pbar collisions at sqrt(s)=1.96 TeV
11. ↑ Элементы — новости науки: Детектор CDF обнаружил явление, не поддающееся объяснению в рамках Стандартной модели
12. ↑ [0710.1895] Measurement of correlated b-bbar production in p-pbar collisions at sqrt(s)=1960GeV
13. ↑ Press Pass - Press Release - DZero Omega-sub-b
14. ↑ Press Pass - Press Release - Single top quark
15. ↑ Physics — Deciphering a bump in the spectrum
16. ↑ [1101.0034] Evidence for a Mass Dependent Forward-Backward Asymmetry in Top Quark Pair Production
17. ↑ http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/WWW/results/final/TOP/T11O/T11O.pdf
18. ↑ Элементы — новости науки: Детектор CMS не подтверждает сильную асимметрию, найденную на Тэватроне
19. ↑ Fermilab Today
20. ↑ http://arxiv.org/pdf/1104.0699v1
21. ↑ Элементы — новости науки: Недавний результат Тэватрона не вызвал у физиков особого энтузиазма
22. ↑ Элементы — новости науки: Wjj-аномалия, обнаруженная на Тэватроне, усилилась
23. ↑ http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/WWW/results/final/HIGGS/H11B/
24. ↑ Fermilab | Press Pass | Press Release | Fermilab experiment discovers a heavy relative of the neutron
25. ↑ Павел Котляр США останавливают Теватрон  (рус.). Infox.ru (11 января 2011). Проверено 13 января 2011.
26. ↑ Второй по мощности в мире ускоритель Теватрон завершил работу, Lenta.ru (1 октября 2011 года).
27. ↑ Элементы - новости науки: Тэватрон завершил свою работу

Ссылки

• Live Tevatron status
• Хронология наиболее важных событий на Тэватроне
• Sliwa K. Tevatron collider program — physics, results, future? // Acta physica polonica B. — 2011. — Т. 42. — С. 1625—1644.
• Long live the Tevatron
• Holmes, S. D. (2011), "Remembering the Tevatron: The Machine(s)", arΧiv:arXiv:1109.2937v1