El Super Sincrotrón Protón-Antiprotón (o Sp p S , también conocido como Colisionador Protón-Antiprotón ) fue un acelerador de partículas que operó en el CERN desde 1981 hasta 1991. Para operar como un colisionador protón - antiprotón, el Super Sincrotrón Protón (SPS) sufrió modificaciones sustanciales, alterándolo de un sincrotrón de un haz a un colisionador de dos haces. Los principales experimentos en el acelerador fueron UA1 y UA2 , donde se descubrieron los bosones W y Z en 1983. Carlo Rubbia y Simon van der Meer recibieron el Premio Nobel de Física de 1984 por sus contribuciones al proyecto Sp p S, que condujo al descubrimiento de los bosones W y Z . [1] Otros experimentos realizados en el Sp p S fueron UA4 , UA5 y UA8 .
Alrededor de 1968, Sheldon Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam idearon la teoría electrodébil , que unificó el electromagnetismo y las interacciones débiles , y por la que compartieron el Premio Nobel de Física de 1979. [2] La teoría postulaba la existencia de los bosones W y Z. Se estableció experimentalmente en dos etapas, la primera fue el descubrimiento de corrientes neutras en la dispersión de neutrinos por la colaboración Gargamelle en el CERN , un proceso que requería la existencia de una partícula neutra para transportar la fuerza débil: el bosón Z. Los resultados de la colaboración Gargamelle hicieron posible los cálculos de la masa de los bosones W y Z. Se predijo que el bosón W tenía un valor de masa en el rango de 60 a 80 GeV/c 2 , y el bosón Z en el rango de 75 a 92 GeV/c 2 , energías demasiado grandes para ser accesibles por cualquier acelerador en funcionamiento en ese momento. [3] La segunda etapa del establecimiento de la teoría electrodébil sería el descubrimiento de los bosones W y Z, lo que requeriría el diseño y construcción de un acelerador más potente.
A finales de los años 70, el principal proyecto del CERN fue la construcción del Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP, por sus siglas en inglés). Una máquina de este tipo era ideal para producir y medir las propiedades de los bosones W y Z. [3] Sin embargo, debido a la presión para encontrar los bosones W y Z, la comunidad del CERN sintió que no podía esperar a la construcción del LEP: se necesitaba un nuevo acelerador, cuya construcción no podía hacerse a expensas del LEP. [4] En 1976, Carlo Rubbia , Peter McIntyre y David Cline propusieron modificar un acelerador de protones (en ese momento ya estaba funcionando un acelerador de protones en Fermilab y otro estaba en construcción en el CERN (SPS)) para convertirlo en un colisionador protón - antiprotón . [5] Dicha máquina solo requería una única cámara de vacío, a diferencia de un colisionador protón-protón que requiere cámaras separadas debido a los campos magnéticos dirigidos de manera opuesta. Dado que los protones y antiprotones tienen cargas opuestas, pero la misma energía E , pueden circular en el mismo campo magnético en direcciones opuestas, lo que produce colisiones frontales entre los protones y los antiprotones con una energía total en el centro de masas de . [3] El esquema fue propuesto tanto en el Fermilab en los Estados Unidos como en el CERN, y finalmente fue adoptado en el CERN para el Super Sincrotrón de Protones (SPS). [3]
Los bosones W y Z se producen principalmente como resultado de la aniquilación de quarks y antiquarks. En el modelo de los partones, el momento de un protón se comparte entre los constituyentes del protón: una parte del momento del protón es transportada por los quarks y el resto por los gluones . No será suficiente acelerar los protones hasta un momento igual a la masa del bosón, ya que cada quark solo transportará una parte del momento. Para producir bosones en los intervalos estimados de 60 a 80 GeV (bosón W) y de 75 a 92 GeV (bosón Z), se necesitaría por tanto un colisionador protón-antiprotón con una energía en el centro de masas de aproximadamente seis veces las masas de los bosones, unos 500-600 GeV. [3] El diseño del Sp p S estuvo determinado por la necesidad de detectar . Como la sección transversal para la producción de Z a ~600 GeV es ~1,6 nb, y la fracción de desintegración es ~3%, una luminosidad de L=2,5 · 10 29 cm −2 s −1 daría una tasa de eventos de ~1 por día. [3] Para lograr dicha luminosidad se necesitaría una fuente de antiprotones capaz de producir ~3·10 10 antiprotones cada día, distribuidos en unos pocos haces con aceptación angular y de momento del SPS.
El SPS fue diseñado originalmente como un sincrotrón para protones, para acelerar un haz de protones a 450 GeV y extraerlo del acelerador para experimentos con objetivos fijos . Sin embargo, ya antes del período de construcción del SPS surgió la idea de usarlo como un acelerador protón-antiprotón. [6]
La primera propuesta para un colisionador protón-antiprotón parece haber sido hecha por Gersh Budker y Alexander Skrinsky en Orsay en 1966, basándose en la nueva idea de Budker de enfriamiento de electrones . [7] En 1972 Simon van der Meer publicó la teoría del enfriamiento estocástico , [8] por la que más tarde recibió el Premio Nobel de Física en 1984. [9] La teoría fue confirmada en los Anillos de Almacenamiento Intersecantes en el CERN en 1974. Si bien el enfriamiento de electrones podría haber llevado a la idea de un colisionador protón-antiprotón, finalmente fue el enfriamiento estocástico el que se utilizó en los preaceleradores para preparar antiprotones para el Sp p S.
Mientras tanto, el descubrimiento de corrientes neutras en el experimento Gargamelle del CERN desencadenó la propuesta de Carlo Rubbia y sus colaboradores de construir un colisionador de protones y antiprotones. En 1978, el proyecto fue aprobado por el Consejo del CERN y las primeras colisiones se produjeron en julio de 1981. [6] La primera prueba duró hasta 1986 y, tras una importante modernización, siguió funcionando de 1987 a 1991. [6] El colisionador se cerró a finales de 1991, ya que ya no era competitivo con el colisionador de protones y antiprotones de 1,5 TeV del Fermilab, que había estado en funcionamiento desde 1987.
Entre 1981 y 1991, el SPS funcionaría parte del año como sincrotrón, acelerando un único haz para experimentos con objetivos fijos, y parte del año como colisionador (Sp p S).
Los requisitos de un anillo de almacenamiento como el Sp p S, en el que los haces deben circular durante muchas horas, son mucho más exigentes que los de un sincrotrón pulsado, como el SPS. [10] Después de que se decidiera el Sp p S en 1978, se realizaron las siguientes modificaciones en el SPS: [6]
La creación y el almacenamiento de antiprotones en cantidades suficientes fueron uno de los mayores desafíos en la construcción del Sp p S. La producción de antiprotones requirió el uso de la infraestructura existente del CERN, como el Sincrotrón de Protones (PS) y el Acumulador de Antiprotones (AA). Los antiprotones se produjeron dirigiendo un haz de protones intenso con un momento de 26 GeV/c desde el PS hacia un objetivo para su producción. La ráfaga emergente de antiprotones tenía un momento de 3,5 GeV/c, y se seleccionó magnéticamente y se dirigió hacia el AA, y se almacenó durante muchas horas. El principal obstáculo fue la gran dispersión de momentos y ángulos de los antiprotones que emergían del objetivo. [11] El método para reducir las dimensiones del haz se llama enfriamiento estocástico , un método descubierto por Simon van der Meer . En pocas palabras, es un sistema de retroalimentación basado en el hecho de que todos los haces son particulados y que, por lo tanto, a nivel microscópico, la densidad dentro de un volumen dado estará sujeta a fluctuaciones estadísticas. [10] El objetivo de descubrir los bosones W y Z impuso ciertas exigencias a la luminosidad del colisionador, y por lo tanto el experimento requirió una fuente de antiprotones capaz de suministrar 3·10 10 antiprotones cada día en unos pocos racimos dentro de la aceptación angular y de momento del SPS. [6] La acumulación de los antiprotones en el AA podría llevar varios días. La actualización de 1986-1988 permitió un aumento de diez veces en la tasa de apilamiento del AA. [10] Un segundo anillo, llamado el Colector de Antiprotones (AC) se construyó alrededor del AA.
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Después de que los antiprotones se habían apilado en el AA, el PS y Sp p S se prepararían para un llenado. Primero, tres haces de protones, cada uno conteniendo ~10 11 protones, fueron acelerados a 26 GeV en el PS, y inyectados en el Sp p S. [3] Segundo, tres haces de antiprotones, cada uno conteniendo ~10 10 antiprotones fueron extraídos del AA e inyectados en el PS. [3] En el PS los haces de antiprotones fueron acelerados a 26 GeV en la dirección opuesta a la de los protones, y inyectados en el Sp p S. Las inyecciones fueron cronometradas para asegurar que los cruces de haces en el acelerador ocurrieran en el centro de los detectores, UA1 y UA2. La eficiencia de transferencia del AA al Sp p S fue de alrededor del 80%. [12] En la primera ejecución, 1981-1986, el Sp p S aceleró tres haces de protones y tres haces de antiprotones. Después de que se aumentó la tasa de apilamiento de los antiprotones en la actualización, el número de protones y antiprotones inyectados en el colisionador se incrementó de tres a seis. [6]
Al inyectarse en la cámara de vacío Sp p S, ambos haces se aceleraron hasta los 315 GeV. Luego pasarían a un lugar de almacenamiento durante 15 a 20 horas para la toma de datos físicos, mientras que el AA reanudaba la acumulación en preparación para el siguiente llenado. Como tres haces de protones y tres haces de antiprotones circulaban en la misma cámara de vacío, se encontrarían en seis puntos. UA1 y UA2 se colocaron en dos de estos puntos de encuentro. Se utilizaron separadores electrostáticos para lograr la separación en los puntos de cruce no utilizados, alejados de los experimentos [6]. Hasta 1983, la energía del centro de masas estaba limitada a 546 GeV debido al calentamiento resistivo de las bobinas magnéticas. La adición de un enfriamiento adicional permitió que la energía de la máquina se elevara hasta los 630 GeV en 1984. [6]
Cuando se opera como un acelerador para experimentos de objetivo fijo, el SPS puede acelerar un haz a 450 GeV, antes de que el haz sea extraído en segundos (o una pequeña fracción de segundo cuando se usa para acelerar un haz para inyección en LHC ). Sin embargo, cuando se opera como un colisionador, el haz tiene que almacenarse en la línea de haz durante horas y los imanes dipolares del acelerador deben mantener un campo magnético constante durante un tiempo más largo. Para evitar el sobrecalentamiento de los imanes, el Sp p S solo aceleraría los haces a 315 GeV. Sin embargo, este límite podría superarse aumentando los imanes entre 100 GeV y la capacidad máxima de las máquinas de 450 GeV. [13] El Sp p S aceleraría los haces a 450 GeV, manteniéndolos como esta energía durante un tiempo limitado por el calentamiento de los imanes, luego desaceleraría los haces a 100 GeV. El pulso se operó de tal manera que la dispersión promedio de potencia en los imanes no excediera el nivel de operación a 315 GeV. El Sp p S operó ocasionalmente con pulsos después de 1985, obteniendo colisiones a una energía de centro de masa de 900 GeV. [13]
El Sp p S comenzó a funcionar en julio de 1981, y en enero de 1983 se anunció el descubrimiento de los bosones W y Z por los experimentos UA1 y UA2 . Carlo Rubbia , portavoz del experimento UA1 , y Simon van der Meer recibieron el Premio Nobel de Física de 1984 por, como se afirma en el comunicado de prensa del Comité Nobel , "(...) su decisiva contribución al gran proyecto, que condujo al descubrimiento de las partículas de campo W y Z (...)". [1] El premio fue otorgado a Carlo Rubbia por su "(...) idea de convertir un gran acelerador existente en un anillo de almacenamiento para protones y antiprotones", es decir, la concepción del Sp p S, y a Simon van der Meer por su "(...) ingenioso método para el empaquetamiento y almacenamiento denso de protones, ahora aplicado a los antiprotones", es decir, el diseño de la tecnología que permite el acumulador de antiprotones : enfriamiento estocástico. [1] La concepción, construcción y funcionamiento del Sp p S fue considerado un gran logro técnico en sí mismo.
Antes de que se pusiera en funcionamiento el Sp p S, se debatió si la máquina funcionaría o si los efectos de haz-haz en los haces agrupados impedirían una operación con alta luminosidad. [6] El Sp p S demostró que el efecto de haz-haz en los haces agrupados podía dominarse y que los colisionadores de hadrones eran excelentes herramientas para experimentos en física de partículas. En ese sentido, sentó las bases del LHC , el colisionador de hadrones de próxima generación en el CERN . [3]
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