Теватрон

Теватрон (Tevatron) — ускоритель заряженных частиц, работавший на встречных пучках протонов и антипротонов. Был построен в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб, США) и до запуска Большого адронного коллайдера (БАК) являлся самым мощным коллайдером в мире. Теватрон функционировал с 1983 по 2011 год, достигнув рекордной на тот момент энергии столкновений в 1,96 ТэВ (тераэлектронвольт), что и дало название установке.

История создания

Проект Теватрона был разработан в конце 1970-х годов как развитие протонного синхротрона Main Ring, работавшего в Фермилабе с 1972 года. Идея заключалась в том, чтобы использовать существующий туннель ускорителя Main Ring (периметр около 6,3 км) для размещения нового сверхпроводящего магнита, способного разгонять протоны до гораздо более высоких энергий.

Строительство началось в 1978 году. Ключевым технологическим новшеством стало применение сверхпроводящих магнитов из ниобий-титанового сплава, охлаждаемых жидким гелием до температуры 4,5 К (−268,65 °C). Это позволило создать магнитное поле напряжённостью до 4,2 Тл, что было значительно выше, чем у обычных магнитов Main Ring. Первый пучок протонов был запущен в 1983 году, а первые эксперименты по столкновению протонов с антипротонами начались в 1985 году.

В 1990-е годы Теватрон прошёл несколько модернизаций. В 1992—1993 годах была проведена замена системы инжекции и увеличение светимости (интенсивности пучков). В 2001 году, после завершения строительства нового предускорителя Main Injector, коллайдер вышел на проектную энергию 1,96 ТэВ. Работа Теватрона продолжалась до 30 сентября 2011 года, когда после 28 лет эксплуатации он был окончательно остановлен.

Устройство и принцип работы

Теватрон представлял собой сложную многоступенчатую систему ускорителей. Процесс разгона частиц включал несколько этапов:

1. Источник протонов — ионизированный газообразный водород, из которого получали отрицательно заряженные ионы H⁻.
2. Предварительные ускорители — линейный ускоритель (Linac) разгонял ионы до энергии 400 МэВ, затем они поступали в бустерный синхротрон (Booster), где энергия повышалась до 8 ГэВ.
3. Main Injector — кольцевой ускоритель, построенный в 1999 году, разгонял протоны до 150 ГэВ и служил для производства антипротонов.
4. Антипротонный источник — протоны высокой энергии сталкивались с никелевой мишенью, в результате чего рождались антипротоны. Они накапливались и охлаждались в специальном кольце-накопителе (Accumulator Ring).
5. Теватрон — основное кольцо со сверхпроводящими магнитами. Протоны и антипротоны инжектировались в него в противоположных направлениях и разгонялись до энергии 980 ГэВ каждый. Пучки циркулировали в течение нескольких часов, сталкиваясь в двух точках пересечения, где располагались детекторы.

Ключевой характеристикой коллайдера была светимость — параметр, определяющий число столкновений в единицу времени. Максимальная светимость Теватрона достигала 4×10³² см⁻²·с⁻¹.

Эксперименты и детекторы

На Теватроне работали два основных многоцелевых детектора, расположенных в точках встречи пучков:

• CDF (Collider Detector at Fermilab) — начал работу в 1985 году. Представлял собой комбинированную систему, включающую вершинный детектор, трековую камеру, калориметры и мюонную систему. CDF был построен международным коллаборацией, в которую входили учёные из США, Италии, Японии, России и других стран.
• DØ (D-Zero) — детектор, запущенный в 1992 году. Отличался отсутствием центрального соленоидального магнита, что позволяло точнее измерять энергии частиц в калориметрах. DØ также был международным проектом.

Кроме того, на Теватроне проводились эксперименты с фиксированной мишенью (например, E-690, E-771), но они имели меньший масштаб.

Научные результаты

За время работы Теватрон внёс значительный вклад в физику элементарных частиц. Основные достижения включают:

Открытие топ-кварка

В 1995 году коллаборации CDF и DØ одновременно объявили об открытии топ-кварка — самой тяжёлой из известных элементарных частиц. Масса топ-кварка была измерена с высокой точностью (около 173 ГэВ/c²), что подтвердило предсказания Стандартной модели. Это открытие стало главным научным триумфом Теватрона.

Изучение W- и Z-бозонов

Теватрон позволил провести прецизионные измерения масс W- и Z-бозонов — переносчиков слабого взаимодействия. Точность измерений массы W-бозона достигла 0,02 %, что наложило жёсткие ограничения на параметры Стандартной модели и возможные отклонения от неё.

Поиск бозона Хиггса

До запуска БАК Теватрон был главным инструментом для поиска бозона Хиггса. В 2012 году, уже после остановки коллайдера, коллаборации CDF и DØ объявили о наблюдении сигнала, соответствующего бозону Хиггса с массой около 125 ГэВ, что впоследствии было подтверждено на БАК.

Поиск новой физики

Теватрон использовался для поиска суперсимметричных частиц, дополнительных измерений, тёмной материи и других явлений за пределами Стандартной модели. Ни одного убедительного свидетельства такой физики обнаружено не было, что позволило установить строгие ограничения на многие теоретические модели.

Изучение сильного взаимодействия

На Теватроне были получены важные данные о квантовой хромодинамике (КХД), включая измерение константы сильного взаимодействия, изучение адронных струй и дифракционных процессов.

Значение и наследие

Теватрон сыграл ключевую роль в развитии физики высоких энергий в конце XX — начале XXI века. Он стал первым коллайдером, в котором широко применялись сверхпроводящие магниты, что впоследствии было использовано при строительстве БАК. Технологии, разработанные для Теватрона, нашли применение в медицине (протонная терапия) и материаловедении.

Остановка Теватрона в 2011 году была связана с началом работы БАК, который мог достигать энергий в 7 раз выше. Однако данные, полученные на Теватроне, продолжают анализироваться и после его остановки. В 2014 году был опубликован окончательный анализ данных по бозону Хиггса, а в 2018 году — уточнённые измерения массы W-бозона.

Теватрон также стал важным образовательным и научным центром. В его работе участвовали тысячи учёных и студентов со всего мира, многие из которых впоследствии работали на БАК и других ускорителях.

Интересные факты

• Теватрон был назван в честь единицы энергии — тераэлектронвольта (ТэВ), так как его проектная энергия составляла 1 ТэВ на пучок.
• Для охлаждения сверхпроводящих магнитов использовалось около 20 000 литров жидкого гелия.
• Антипротоны для столкновений производились в количестве около 10⁸ частиц в час.
• Теватрон потреблял около 40 МВт электроэнергии в час работы.
• В 2008 году, после запуска БАК, Теватрон некоторое время оставался единственным действующим коллайдером высоких энергий из-за аварии на БАК.

Источники

• Fermilab. «Tevatron: The World's Most Powerful Particle Accelerator». Fermilab History and Archives.
• CDF Collaboration. «Observation of Top Quark Production in ppbar Collisions». Physical Review Letters, 1995.
• DØ Collaboration. «Search for the Higgs Boson in ppbar Collisions». Physical Review D, 2012.
• L. Lederman, D. Schramm. «From Quarks to the Cosmos». Scientific American Library, 1989.
• A. D. Krisch. «The Tevatron: A History». Annual Review of Nuclear and Particle Science, 2012.