Urýchľovač Tevatrón v Laboratóriu Fermilab (Batavia, Illinois) bol mnoho rokov najvýkonnejším koliderom na svete, s nástupom LHC boli jeho dni spočítané a koncom septembra 2011 ukončil svoj fyzikálny program. Jeho výsledky sa zapísali do dejín fyziky ako u žiadneho urýchľovača pred ním. Tevatrón sa dožil úctyhodných 25 rokov od prvých zrážok a predal štafetu do Európy.
Tevatron 1983–2011
|
Fermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií. Tevatron – synchrotron postavený ve Fermilabu v Batávii, ve státě Illinois. Do zprovoznění LHC v CERN šlo o největší urychlovač tohoto typu na světě, protony a antiprotony byl schopen v prstenci o obvodu 6,3 km urychlit až na energii 1 TeV. Šlo o kolider, jehož vstřícné svazky měly v těžišťové soustavě energii 1,96 TeV. Tevatron byl dostaven v roce 1983 a stál 120 milionů USD. Další velkou investicí byl hlavní injektor za 290 milionů USD přidaný v letech 1994 až 1999. Provoz Tevatronu byl ukončen v roce 2011. |
V roku 1979 americké ministerstvo energetiky (Department of Energy) autorizovalo stavbu supravodivého kolideru v laboratóriu Fermilab. Stavba pokračovala rýchlo a už v marci 1983 prebehla inštalácia posledného zo 774 supravodivých magnetov a len štyri mesiace na to Tevatrón (názov dostal podľa nominálnej energie zrážok rádovo TeV, ako je americkým zvykom) dosiahol svetový rekord v energii urýchlených častíc – 512 GeV za mohutných protestov prorokov apokalypsy predpovedajúcich koniec sveta. Vo svojich počiatkoch fungoval ako urýchľovač pre experimenty s pevným terčom, dokončením inštalácie aparatúry na výrobu antiprotónov (1985) sa z neho stal protón-antiprotónový kolider. Vtedy dosiahol ťažiskovú energiu zrážky 1 600 GeV a mal jediný detektor, CDF.
Trvalo dlhých 7 rokov kým sa nazbierala operačná skúsenosť a optimalizovali parametre zväzku. V roku 1992 bol nainštalovaný nový detektor D0 a začal fyzikálny program prvého štádia (Run I) s ťažiskovou energiou zrážky 1 800 GeV. Prvá fyzikálna kampaň prebiehala do roku 1996 a počas následnej odstávky trvajúcej 5 rokov sa vylepšil nielen Tevatrón (vyššia energia a intenzita zväzku), ale aj jeho predurýchľovacie stupne (bol pridaný injektor a recyklátor). Počas odstávky sa podstatne modernizovali detektory. V roku 2001 sa začala nová fyzikálna kampaň Run II so zvýšenou ťažiskovou energiou zrážok 1 960 GeV.
Letecký pohľad na skupinu urýchľovačov v laboratóriu Fermilab.
Konfigurácia komplexu urýchľovačov počas fázy Run II.
Schéma urýchľovacieho komplexu nie je nepodobná urýchľovačom v CERNe. Urýchľovací komplex umožňuje pestrý fyzikálny program počínajúc neutrínovými zväzkami generovanými protónmi s energiou 8 a 120 GeV, cez zmes experimentov s pevným terčom (fixed target), a samozrejme vlajkovou loďou Tevatrónom.
Na rozdiel od LHC, kde sa zrážajú protóny s protónmi, sa v Tevatróne zrážali protóny s antiprotónmi, čo prinieslo výhodu potreby iba jednej evakuovanej zväzkovej trubice a jedného magnetického systému pre zväzky, na oddelenie dráh zhlukov z rôznym nábojom mimo interakčné miesto slúžili elektrostatické separátory.
Protóny začínali svoju púť v Cockroft-Waltonovom urýchľovači, kde dosahovali energiu 750 keV, odtiaľ putovali do Linacu, ktorý ich urýchlil na 400 MeV. Protóny s energiou 8 GeV z Boosteru boli injektované do Hlavného injektoru (Main Injector), kde sa urýchlili na energiu 120 GeV pre experimenty s pevným terčom a 150 GeV pre injekciu do Tevatrónu. Injektor má obvod 3 300 m a je to synchrotrón so silnou fokusáciou pomocou FODO (FOcusing-DefOcusing) mriežky. Po ukončení činnosti Tevatrónu sa využíva hlavne na produkciu neutrínových zväzkov.
Antiprotónový zdroj má 3 hlavné časti: terč, Odzhlukovač (Debuncher) a Akumulátor. Antiprotóny sa vyrábajú nárazom protónových zväzkov z Injektora o energii 120 GeV na terč, spŕška vygenerovaných nabitých sekundárnych častíc sa fokusuje magnetickou optikou a častice vybrané magnetickým spektrometrom s energiou zhruba 8 GeV sa privedú do Odzhlukovača, kde sa zväzok pripraví na akumuláciu. Cestu prežijú iba antiprotóny. Ich výroba je časovo a energeticky náročná, a preto je nutný akumulačný prstenec, kde sa pripraví dostatočné množstvo antiprotónov na naplnenie Tevatrónu.
V Akumulátori sa využíva mechanizmus stochastického chladenia zväzkov na úpravu spektra hybností a dráh (zmenšenie fázového priestoru orbitujúcich častíc – emitancie zväzku), podobne ako na kolideri SppS (predchodca SPS). Recyklátor je väčší ako Akumulátor a nachádza sa v tuneli s Injektorom. Bol postavený pri modernizácii na Run II. Využíva permanentné magnety a jeho účel je akumulácia asi 450×1010 antiprotónov. Túto hodnotu dosiahne asi po 12 hodinách akumulácie. V roku 2005 bol vylepšený pridaním systému na elektrónové chladenie antiprotónov, ktoré ďalej zmenšuje emitanciu zväzku a umožňuje tak zvýšiť jeho intenzitu.
Častice na stabilných dráhach udržiavalo magnetické pole Nb-Ti supravodiča chladeného tekutým héliom. Intenzita protónových zhlukov bola asi 3×1011 protónov, intenzita antiprotónových zhlukov o rád menšia. Zväzky mali konfiguráciu 36 zhlukov protónov a 36 zhlukov antiprotónov obiehajúcich v protismere zrážajúcich sa v miestach D0 a B0 prstenca, kde sú umiestnené detektory D0 a CDF. Energia častíc v zhluku bola 980 GeV a energia zrážky teda 1 960 GeV.
Tevatrón mal dva hlavné experimenty: CDF (Collider Detector at Fermilab) a D0 (pomenovaný podľa interakčného miesta na urýchľovači). Tieto detektory sa vzájomne doplňovali a zároveň overovali namerané výsledky. Štruktúra detektorov bola podobná experimentom na LHC.
Schéma detektora D0.
Schéma detektora CDF.
Skutočná podoba detektorov CDF a D0.
Posledných niekoľko rokov Tevatrón bojoval o zmenšujúce sa zdroje financovania kvôli vznikajúcej a neporaziteľnej konkurencii, ktorou bol urýchľovač LHC, a 30. 9. 2011 prebehli posledné zrážky. Nazbieraná dáta z detektorov sa však budú ešte niekoľko rokov analyzovať a výsledky sa doplňujú s experimentmi na LHC.
Význačné objavy
V roku 2000 experiment DONUT (Direct Observation of the Nu Tau) publikoval objav tau neutrína, posledného objaveného leptónu. Neutrína boli pozorované v rozpade Ds mezónov (obsahujúce c a s kvark a antikvark), ktoré sa produkovali pomocou zväzku Tevatrónu o energii 800 GeV (Run I) dopadajúceho na terčík.
Najznámejším objavom bol v roku 1995 top kvark. Jeho existencia bola predpovedaná spolu s b kvarkom v roku 1973 Kobayashim a Maskawou ako tretia generácia kvarkov. Top kvark je výnimočný medzi ostatnými kvarkami, je to najťažšia doteraz známa častica Štandardného Modelu s hmotnosťou 172,9±1.5 GeV a žije iba asi 5×10−25 s, čo je príliš krátka doba, než aby zafungovala silná interakcia a vytvoril hadrón. Rozpadá sa skoro vždy pomocou slabej interakcie na b kvark. Pretože sa stihne rozpadnúť než zhadronizuje, je zaujímavé laboratórium na skúmanie vlastností nahých kvarkov.
Jedna z prvých zaznamenaných kandidátov udalostí (z roku 1992) produkcie top kvarku pri pp zrážkach na Tevatróne. Top kvark vznikne pri zrážke najčastejšie v páre s antitop kvarkom. Obrázok znázorňuje konečné stavy rozpadu; top kvark sa rozpadol na W+ a b kvark, W+ sa rozpadlo na pár pozitrón a jeho antineutríno a b kvark vytvoril ďalší jet. Antitop sa rozpadol na W− a anti-b kvark, tentokrát však W- sa rozpadlo na pár ľahkých kvarkov ktoré ďalej pri svojej ceste dali vznik takzvanému jetu („výtrysku“ kolimovaných častíc hadrónovej spŕšky). Neutríno sa detekuje ako chýbajúca hybnosť pomocou pravidla zachovania transverzálnej hybnosti v smere kolmom na zväzok. Jety od b-kvarkov sa dajú poznať od jetov ľahkých kvarkov podľa vzdialenosti rozpadu B-mezónu od miesta zrážky, B mezóny preletia relatívne veľkú vzdialenosť, než sa rozpadnú.
| Rok | Objav |
| 1998 | objav Bc mezónu |
| 1999 | pozorovanie priameho narušenia CP symetrie u rozpadov neutrálnych kaónov |
| 2006 | objav oscilácie Bs mezónov, analogický osciláciám neutrálnych kaónov |
| 2006 | objav Σb baryónu |
| 2007 | objav Ξb baryónu |
| 2009 | objav Ωb baryónu |
| 2011 | objav Xb baryónu |
Stručná história objavovaní nových hadrónov a ich vlastností na Tevatróně a jeho detektoroch.
Experimenty D0 a CDF tiež spresnili mnoho predchádzajúcich meraní vlastností už známych častíc Štandardného Modelu. Z nepriamych meraní bola vymedzená oblasť hmotností, kde sa môže nachádzať Higgsov bozón. Skončením éry Tevatrónu sa skúmanie hraníc poznania presunulo do Európy, americký program výskumu elementárnych častíc sa preorientuje na skúmanie vzácnych interakcií známych častíc, najmä neutrín. Do roku 2014 majú vzniknúť nové neutrínové experimenty NOυA a MicroBooNE. V budúcnosti sa plánuje vo Fermilabe stavba ILC – medzinárodného lineárneho kolideru a tiež miónového kolideru.
Zdroje:
- Stephen Holmes, Ronald S. Moore, Vladimir Shiltsev: Overview of the Tevatron Collider Complex: Goals, Operations and Performance; arXiv:1106.0909v2 [physics.acc-ph] 13 Jul 2011
- Fermilab: Tevatron History and Achievments; 2011, 13 Sep 2011
- Michal Marčišovský: Pohybujú sa neutrína nadsvetelnou rýchlosťou?; AB 37/2011
- Zuzana Vidláková: Mezinárodní lineární kolider; AB 15/2008
- Miroslav Havránek: Experiment ATLAS – výzva pro nové technologie; AB 25/2006
- Miroslav Havránek: Anomální narušení CP symetrie pozorováno ve Fermilabu; AB 27/2010
- Petr Kulhánek: Ve Fermilabu testují zbrusu nový detektor temné hmoty; AB 32/2009
