Tevatrón

El Tevatron era un acelerador de partículas circular (activo hasta 2011) en los Estados Unidos, en el Fermi National Accelerator Laboratory (también conocido como Fermilab), al este de Batavia, Illinois, y es el segundo colisionador de partículas de mayor energía jamás construido, después del 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 6,28 km (3,90 mi) a energías de hasta 1 TeV, de ahí su nombre. 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 física de partículas. El 2 de julio de 2012, los científicos de los equipos experimentales del colisionador CDF y DØ en Fermilab anunciaron los hallazgos del análisis de alrededor de 500 billones de colisiones producidas por el colisionador Tevatron desde 2001, y encontraron que la existencia del supuesto bosón de Higgs era muy probable con una confianza de 99.8%, luego mejoró a más de 99.9%.

El Tevatron dejó de operar el 30 de septiembre de 2011, debido a recortes presupuestarios y debido a la finalización del LHC, que comenzó a operar a principios de 2010 y es mucho más potente (las energías planificadas eran dos haces de 7 TeV en el LHC en comparación con 1 TeV en el Tevatron). El anillo principal del Tevatron probablemente se reutilizará en futuros experimentos, y sus componentes pueden transferirse a otros aceleradores de partículas.

Historia

El 1 de diciembre de 1968 vio la inauguración del acelerador lineal (linac). La construcción del Recinto del Acelerador Principal comenzó el 3 de octubre de 1969, cuando Robert R. Wilson, director de NAL, removió la primera pala de tierra. Esto se convertiría en el anillo principal de Fermilab de 6,3 km de circunferencia.

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, se guió por primera vez un haz de protones a través de todo el Acelerador Nacional Sistema acelerador de laboratorio que incluye el anillo principal. El haz se aceleró a solo 7 GeV. En aquel entonces, el Acelerador Booster tomaba 200 MeV de protones del Linac y los "impulsaba" su energía a 8 mil millones de electronvoltios. Luego fueron inyectados en el Acelerador Principal.

El mismo año antes de la finalización del Anillo Principal, Wilson testificó ante el Comité Conjunto sobre Energía Atómica el 9 de marzo de 1971, que era factible 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 con los imanes existentes del anillo principal. Ese fue el punto de partida del proyecto Tevatron. El Tevatron estuvo en fase de investigación y desarrollo entre 1973 y 1979 mientras se continuaba mejorando la aceleración en el Anillo Principal.

Una serie de hitos hizo 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 acelerador NAL aceleró por primera vez un haz de protones a su energía de diseño de 200 GeV. A fines de 1973, el sistema acelerador de NAL operaba de manera rutinaria a 300 GeV.

El 14 de mayo de 1976, Fermilab llevó sus protones hasta 500 GeV. Este logro brindó la oportunidad de introducir una nueva escala de energía, el teraelectronvoltio (TeV), igual 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 solo 400 GeV.

El anillo principal de imán convencional se cerró en 1981 para la instalación de imanes superconductores debajo. El Anillo Principal continuó sirviendo como inyector para el Tevatron hasta que el Inyector Principal se completó al oeste del Anillo Principal en 2000. El 'Duplicador de Energía', como se le conocía entonces, produjo su primer rayo acelerado: 512 GeV: el 3 de julio de 1983.

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.

El inyector principal, que reemplazó al anillo principal, fue la adición más sustancial, construida durante seis años desde 1993 a un costo de $290 millones. El colisionador Tevatron Run II comenzó el 1 de marzo de 2001, después de completar con éxito la actualización de esa instalación. Desde entonces, el haz había sido capaz de entregar una energía de 980 GeV.

El 16 de julio de 2004, el Tevatron alcanzó un nuevo pico de luminosidad, rompiendo el récord que anteriormente tenían los antiguos anillos de almacenamiento intersecantes (ISR) europeos en el CERN. Ese mismo récord de 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 4×10^{32 cm−2 s−1).}

El Tevatron cesó sus operaciones 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 (en 0,98 TeV).

Mecánica

La aceleración se produjo en varias etapas. La primera etapa fue el preacelerador Cockcroft-Walton de 750 keV, que ionizaba hidrógeno gaseoso y aceleraba los iones negativos creados mediante 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 hoja de carbón para eliminar los electrones, y los protones cargados luego se trasladaron al booster.

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 alimentaron 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. Los protones de 120 GeV colisionaron con un objetivo de níquel produciendo una variedad de partículas, incluidos antiprotones, que podrían recolectarse y almacenarse en el anillo acumulador. El anillo podría entonces 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 dipolares superconductores de niobio-titanio enfriados en helio líquido que producían 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 imanes cuadripolares de 240 NbTi para enfocar el haz.

La luminosidad de diseño inicial del Tevatron era de 10³⁰ cm⁻² s⁻¹, sin embargo, después de las actualizaciones, el acelerador había sido capaz de generar luminosidades de hasta 4×10 ³² cm⁻² s⁻¹.

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 suministró helio líquido criogénico a los imanes superconductores del Tevatron, fue el sistema de baja temperatura más grande existente hasta su finalización en 1978. Mantuvo 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.

Descubrimientos

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 Bs y la observación de dos tipos de bariones sigma. En 2007, las colaboraciones DØ y CDF informaron de la observación directa de la "Cascada B" (
Ξ^{−< /sup>
_b}) Xi barión.

En septiembre de 2008, la colaboración DØ informó sobre la detección de
Ω⁻
_b< /span>, un "doble extraño" Omega barión con la masa medida significativamente más alta que la predicción del modelo de quarks. En mayo de 2009, la colaboración CDF hizo públicos sus resultados en la búsqueda de
Ω⁻
_b basado en el análisis de una muestra de datos aproximadamente cuatro veces más grande que la utilizada por el experimento DØ. Las medidas de masa del experimento CDF fueron 6054< /span>.4±6.8 MeV/c² y en excelente acuerdo con las predicciones del modelo estándar, y no se ha observado ninguna señal en el valor informado anteriormente del experimento DØ. Los dos resultados inconsistentes de DØ y CDF difieren en 111±18 MeV/c² 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
< /span>Ω⁻
_b. Se prevé que los nuevos datos de los experimentos del LHC aclararán la situación en un 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 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. La significación estadística de los signos observados 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 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. Solo 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) o 126 ± 0,4 GeV (ATLAS) respectivamente, hubo evidencia sólida a través de mediciones consistentes por el LHC y el Tevatron por la existencia de una partícula de Higgs en ese rango de masas.

Alteraciones por terremotos

Incluso desde miles de millas 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 mínimos y ayudar a identificar rápidamente la causa de los problemas. El primer terremoto conocido que interrumpió el haz fue el terremoto de Denali de 2002, con otro cierre del colisionador causado por un terremoto local moderado el 28 de junio de 2004. Desde entonces, las diminutas vibraciones sísmicas que emanan de más de 20 terremotos se detectaron en el Tevatron sin un cierre. incluyendo 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.