El Tevatron fue un acelerador de partículas circular (activo hasta 2011) en Estados Unidos , en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (llamado Fermilab ), al este de Batavia, Illinois , y fue el colisionador de partículas de mayor energía hasta el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) se construyó cerca de Ginebra, Suiza . El Tevatron era un sincrotrón que aceleraba protones y antiprotones en un anillo de circunferencia 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 de dólares y se realizaron importantes inversiones en mejoras durante sus años activos de 1983 a 2011.
El principal logro del Tevatrón 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 experimentales del colisionador CDF y DØ en Fermilab anunciaron los resultados del análisis de alrededor de 500 billones de colisiones producidas en el colisionador Tevatron desde 2001, y descubrieron que la existencia del presunto bosón de Higgs era muy probable con una confianza del 99,8%, [3] posteriormente mejoró a más del 99,9%. [4]
El Tevatron dejó de funcionar el 30 de septiembre de 2011, debido a recortes presupuestarios [5] y a la finalización del LHC, que comenzó a funcionar a principios de 2010 y es mucho más potente (las energías previstas eran dos haces de 7 TeV en el LHC frente a 1 TeV en el Tevatron). El anillo principal del Tevatron probablemente se reutilizará en futuros experimentos y sus componentes podrán transferirse a otros aceleradores de partículas. [6]
El 1 de diciembre de 1968 se inició el camino para el acelerador lineal (linac). La construcción del recinto principal del acelerador 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 haz de 200 MeV del Linac comenzó el 1 de diciembre de 1970. El primer haz de refuerzo de 8 GeV se produjo el 20 de mayo de 1971. El 30 de junio de 1971, un haz de protones fue guiado por primera vez a través de todo el sistema de aceleración del Laboratorio Nacional de Aceleradores. incluyendo el Anillo Principal. El rayo fue acelerado a sólo 7 GeV. En aquel entonces, el Booster Accelerator tomó 200 MeV de protones del Linac y "aumentó" 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 mayor mediante el uso de imanes superconductores . También sugirió que podría hacerse utilizando el mismo túnel que el anillo principal y que los nuevos imanes se instalarían en los mismos lugares para funcionar 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 se continuaba mejorando la aceleración en el Anillo Principal. [8]
Una serie de hitos hicieron 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 finales de 1973, el sistema acelerador de NAL funcionaba habitualmente a 300 GeV. [1]
El 14 de mayo de 1976, Fermilab llevó sus protones hasta los 500 GeV. Este logro brindó la oportunidad de introducir una nueva escala de energía, el teraelectronvoltio (TeV), equivalente 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 sólo 400 GeV. [9]
El anillo principal magnético 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 se completó el inyector principal al oeste del Anillo Principal en 2000. [7] El 'Duplicador de Energía', como se lo conocía entonces, produjo su primer haz acelerado (512 GeV). el 3 de julio de 1983. [10]
Su energía inicial de 800 GeV se alcanzó el 16 de febrero de 1984. El 21 de octubre de 1986, la aceleración en el Tevatron se llevó 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, construido durante seis años a partir de 1993 a un costo de 290 millones de dólares. [13] El funcionamiento II del colisionador Tevatron comenzó el 1 de marzo de 2001, después de completar con éxito la mejora de esa instalación. Desde entonces, el haz era 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 ostentaba anteriormente los antiguos anillos europeos de almacenamiento intersectados (ISR) en el CERN. Ese mismo récord del Fermilab se duplicó el 9 de septiembre de 2006, luego se triplicó un poco más 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 × 1032 cm −2 s −1 ). [11]
El Tevatron dejó de funcionar el 30 de septiembre de 2011. A finales de 2011, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN había alcanzado una luminosidad casi diez veces superior a la del Tevatron (3,65 × 1033 cm −2 s −1 ) y una energía de haz de 3,5 TeV cada uno (haciéndolo desde el 18 de marzo de 2010), ya ~ 3,6 veces las capacidades del Tevatron (a 0,98 TeV).
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 (linac) de 150 metros de largo 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 propulsor, las partículas pasaban al 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 antiprotón a 150 GeV; e inyectar protones o antiprotones en el Tevatron. Los antiprotones fueron creados por la Fuente de Antiprotones . Protones de 120 GeV colisionaron con un objetivo de níquel produciendo una variedad de partículas, incluidos antiprotones, que pudieron recolectarse y almacenarse en el anillo acumulador. Luego, 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, cruzándose en los detectores CDF y DØ para colisionar a 1,96 TeV. Para mantener las partículas en el camino, el Tevatron utilizó 774 imanes dipolo superconductores de niobio-titanio enfriados en helio líquido , produciendo 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 240 imanes cuadrupolos de NbTi para enfocar el haz. [2]
La luminosidad de diseño inicial del Tevatron era 10 30 cm −2 s −1 , sin embargo, luego de las actualizaciones, el acelerador pudo entregar luminosidades de hasta 4 × 1032 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 proporcionaba helio líquido criogénico a los imanes superconductores del Tevatron, era el sistema de baja temperatura más grande que existía cuando se completó en 1978. Mantenía las bobinas de los imanes, que doblaban y enfocaban el haz de partículas, en un estado superconductor. de modo que consumieron sólo ⅓ de la energía que habrían requerido a temperaturas normales. [8]
El Tevatron confirmó la existencia de varias partículas subatómicas que fueron predichas por la física teórica de partículas , o dio sugerencias sobre su existencia. En 1995, las colaboraciones del experimento CDF y el 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 sobre 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−
segundo) Xi barión . [17]
En septiembre de 2008, la colaboración DØ informó de la detección del
Ω−
segundo, un barión Omega "doble extraño " con una masa medida significativamente mayor que la predicción del modelo de quarks. [18] [19] En mayo de 2009, la colaboración de la FCD hizo públicos sus resultados sobre la búsqueda de
Ω−
segundobasado 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 concordancia con las predicciones del modelo estándar, y no se ha observado ninguna señal en el valor informado anteriormente en el experimento DØ. Los dos resultados inconsistentes de DØ y CDF difieren por111 ± 18 MeV/ c 2 o por 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−
segundo. Se prevé que nuevos datos de los experimentos del LHC aclararán la situación en un futuro próximo.
El 2 de julio de 2012, dos días antes del anuncio previsto en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los científicos del colisionador Tevatron de la colaboración CDF y DØ anunciaron sus conclusiones a partir del análisis de alrededor de 500 billones de colisiones producidas desde 2001: descubrieron 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 2,9 sigma, lo que significa que hay sólo una probabilidad de 1 entre 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] Sólo 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, ¿existió evidencia sólida a través de mediciones consistentes por parte del LHC y el Tevatron de la existencia de una partícula de Higgs en ese rango de masas?
Incluso a miles de kilómetros de distancia, los terremotos provocaron movimientos lo suficientemente fuertes en los imanes como para afectar negativamente la calidad de los haces de partículas e incluso alterarlos. 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 en 2002 , con otro apagado 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 fueron detectadas en el Tevatron. sin un cierre, incluido 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]
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Medios relacionados con Tevatron en Wikimedia Commons41°49′55″N 88°15′07″O / 41.832°N 88.252°W / 41.832; -88.252