El Tevatron fue un acelerador de partículas circular (activo hasta 2011) en los Estados Unidos , en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (llamado Fermilab ), al este de Batavia, Illinois , y fue el colisionador de partículas de mayor energía hasta que se construyó el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) 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 mi) a energías de hasta 1 TeV , de ahí su nombre. [1] [2] El Tevatron se completó en 1983 a un costo de $120 millones y se realizaron importantes inversiones de actualización durante sus años activos de 1983 a 2011.
El principal logro del Tevatron fue el descubrimiento en 1995 del quark top , el último fermión fundamental predicho por el Modelo Estándar de la física de partículas. El 2 de julio de 2012, los científicos de los equipos de experimentos de colisionadores CDF y DØ en Fermilab anunciaron los resultados del análisis de alrededor de 500 billones de colisiones producidas por el colisionador Tevatron desde 2001, y descubrieron que la existencia del supuesto bosón de Higgs era altamente probable con un nivel de confianza del 99,8% [3] , que luego 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 ser transferidos a otros aceleradores de partículas. [6]
El 1 de diciembre de 1968 se inició la construcción del acelerador lineal (linac). La construcción del recinto principal del acelerador comenzó el 3 de octubre de 1969, cuando Robert R. Wilson , director del NAL, dio la primera palada 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 acelerador lineal se inició el 1 de diciembre de 1970. El primer haz de 8 GeV del acelerador de refuerzo 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 aceleradores del Laboratorio Nacional de Aceleradores, incluido el Anillo Principal. El haz se aceleró a solo 7 GeV. En ese entonces, el acelerador de refuerzo tomó protones de 200 MeV del acelerador lineal y "aumentó" su energía a 8 mil millones de electronvoltios. Luego se inyectaron 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 posible lograr una energía más alta 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 que la aceleración en el Anillo Principal seguía mejorando. [8]
Una serie de hitos hicieron que la aceleración aumentara hasta 20 GeV el 22 de enero de 1972, hasta 53 GeV el 4 de febrero y hasta 100 GeV el 11 de febrero. El 1 de marzo de 1972, el entonces sistema acelerador NAL aceleró por primera vez un haz de protones hasta su energía de diseño de 200 GeV. A fines de 1973, el sistema acelerador NAL operaba rutinariamente a 300 GeV. [1]
El 14 de mayo de 1976, el 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 Superacelerador Sincrotrón de Protones (SPS) europeo había logrado un haz de protones circulante inicial (sin potencia de radiofrecuencia aceleradora) de solo 400 GeV. [9]
El anillo principal de imanes convencionales se cerró en 1981 para instalar imanes superconductores debajo de él. El anillo principal continuó sirviendo como inyector para el Tevatron hasta que el inyector principal se completó 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, construida durante seis años a partir de 1993 a un costo de $290 millones. [13] La segunda ejecución del colisionador Tevatron comenzó el 1 de marzo de 2001, después de completar con éxito esa actualización de las instalaciones. Desde entonces, el haz había sido 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 anteriormente ostentaba el antiguo Anillo de Almacenamiento Intersecante (ISR) europeo del 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 el 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 Booster, las partículas se introducían en el Inyector Principal, que se había completado en 1999 para realizar una serie de tareas. Podía acelerar protones hasta 150 GeV; producir protones de 120 GeV para la creación de antiprotones; aumentar la energía de los antiprotones a 150 GeV; e inyectar protones o antiprotones en el Tevatrón. Los antiprotones eran creados por la Fuente de Antiprotones . Los protones de 120 GeV colisionaban con un objetivo de níquel produciendo una gama de partículas que incluían antiprotones que podían recogerse y almacenarse en el anillo acumulador. El anillo podía entonces pasar los antiprotones al Inyector Principal.
El Tevatron podía acelerar las partículas del inyector principal hasta 980 GeV. Los protones y antiprotones se aceleraban en direcciones opuestas, cruzando sus trayectorias en los detectores CDF y DØ para colisionar a 1,96 TeV. Para mantener las partículas en su trayectoria, el Tevatron utilizó 774 imanes dipolares superconductores de niobio-titanio enfriados en helio líquido, produciendo una intensidad de campo de 4,2 teslas . El campo aumentaba gradualmente 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 de 10 30 cm −2 s −1 , sin embargo, tras las actualizaciones, el acelerador había podido proporcionar luminosidades de hasta 4 × 1032 cm −2 s −1 . [15]
El 27 de septiembre de 1993, el sistema de refrigeración criogénica 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 consumían solo 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 dieron sugerencias sobre su existencia. En 1995, las colaboraciones del experimento CDF y del 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 de la primera medición de las oscilaciones B s y de la observación de dos tipos de bariones sigma . [16]
En 2007, las colaboraciones DØ y CDF informaron de la observación directa de la "cascada B" (
O-b
) Barión Xi . [17]
En septiembre de 2008, la colaboración DØ informó sobre la detección de la
Ohmio-b
, un barión Omega "doblemente extraño " con una masa medida significativamente mayor que la predicción del modelo de quarks. [18] [19] En mayo de 2009, la colaboración CDF hizo públicos sus resultados sobre la búsqueda de
Ohmio-b
basado en el análisis de una muestra de datos aproximadamente cuatro veces mayor que la utilizada en el experimento DØ. [20] Las mediciones de masa del experimento CDF fueron6 054 .4 ± 6.8 MeV/ c 2 y en excelente acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar, y no se ha observado ninguna señal en el valor informado previamente del experimento DØ. Los dos resultados inconsistentes de DØ y CDF difieren en111 ± 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
Ohmio-b
Se espera que nuevos datos de los experimentos del LHC aclaren la situación en el futuro próximo.
El 2 de julio de 2012, dos días antes de un anuncio programado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los científicos del colisionador Tevatron de las colaboraciones CDF y DØ anunciaron sus hallazgos a partir del análisis de alrededor de 500 billones de colisiones producidas desde 2001: descubrieron que la existencia del bosón de Higgs era probable con una masa en la región de 115 a 135 GeV. [21] [22] La significación estadística de las señales observadas fue de 2,9 sigma, lo que significa que solo hay una probabilidad de 1 en 550 de que se hubiera producido una señal de esa magnitud si no existiera de hecho ninguna partícula con esas propiedades. Sin embargo, el análisis final de los datos del Tevatron no resolvió la cuestión de si la partícula de Higgs existe. [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, hubo evidencia sólida a través de mediciones consistentes del LHC y el Tevatron de la existencia de una partícula de Higgs en ese rango de masa.
Incluso desde miles de kilómetros de distancia, los terremotos causaron movimientos lo suficientemente fuertes en los imanes como para afectar negativamente la calidad de los haces de partículas e incluso interrumpirlos. Por lo tanto, se instalaron inclinómetros en los imanes de Tevatron para monitorear movimientos diminutos y ayudar a identificar la causa de los problemas rápidamente. El primer terremoto conocido que interrumpió el haz fue el terremoto de Denali de 2002 , con otra parada del colisionador causada por un terremoto local moderado el 28 de junio de 2004. [26] Desde entonces, las diminutas vibraciones sísmicas que emanaron de más de 20 terremotos se detectaron en el Tevatron sin una parada, incluido el terremoto del Océano Índico de 2004 , el terremoto de Nias-Simeulue de 2005 , el terremoto de Gisborne de Nueva Zelanda de 2007 , el terremoto de Haití de 2010 y el terremoto de Chile de 2010. [27 ]
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