مسرع جسيمات تيفاترون

تيفاترون ، مسرع الجسيمات الذي كان موجودًا في مختبر فيرمي الوطني للمسرعات (فيرميلاب) في باتافيا ، إلينوي. Fermilab تم تشغيل Tevatron لصالح وزارة الطاقة الأمريكية من قبل اتحاد أبحاث الجامعات ، وهو اتحاد يضم 85 جامعة بحثية في الولايات المتحدة وأربع جامعات تمثل كندا وإيطاليا واليابان. كان تيفاترون أكبر مسرع للجسيمات في العالم حتى عام 2009 ، عندما حل محلل مصادم الهدرون الكبير التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) محله. تم إغلاق Tevatron في 30 سبتمبر 2011.

تم بناء Tevatron في الثمانينيات من القرن الماضي تحت أول معجل الجسيمات Fermilab ، وهو السنكروترون البروتوني في نفق دائري بمحيط 6.3 كم (3.9 ميل). كان Tevatron عبارة عن سنكروترون فائق التوصيل ، استفاد من قوة المجال المغناطيسي الأعلى التي تنتجها 1000 مغناطيس فائق التوصيل لتسريع البروتونات إلى مستويات طاقة أعلى بكثير. تم الاحتفاظ بالحلقة بأكملها عند 4.5 كلفن (−268.7 درجة مئوية ، أو −451.6 درجة فهرنهايت) بواسطة الهيليوم السائل. أصبح السنكروترون الأصلي جزءًا من نظام حقن preaccelerator لـ Tevatron ، مما يسرع الجسيمات إلى 150 GeV (1 GeV = 1 جيجا إلكترون فولت = 1 مليار إلكترون فولت) ثم نقلها إلى حلقة التوصيل الفائقة الجديدة للتسريع إلى 900 GeV. في عام 1987 ، بدأ Tevatron العمل كمصادم بروتون مضاد للبروتونات - مع بروتونات 900-GeV تضرب بروتونات 900-GeV لتوفير طاقات تصادم إجمالية تبلغ 1.8 فولت تيرا إلكترون (TeV ؛ 1.8 تريليون فولت إلكترون). تم استبدال الحلقة الرئيسية الأصلية في عام 1999 بمسرع جديد جديد ، الحاقن الرئيسي ، الذي كان لديه حلقة مغناطيسية بطول 3.3 كم (2.1 ميل). قام الحاقن الرئيسي بتوصيل أشعة أكثر كثافة إلى تيفاترون وبالتالي زاد عدد تصادمات الجسيمات بمعامل 10.

كان الاكتشاف الأساسي لـ Tevatron هو اكتشاف الكوارك العلوي ، الكوارك السادس والأكثر ضخامة ، في عام 1995. استنتج العلماء وجود الكوارك العلوي ، الذي أنتج نتيجة اصطدام 1.8-TeV للبروتون المضاد للبروتونات ، على أساس انحلاله مميزات. في عام 2010 ، استخدم العلماء تيفاترون للكشف عن تفضيل طفيف لـ B-mesons (الجسيمات التي تحتوي على كوارك سفلي) لتتحلل إلى الميونات بدلاً من antimuons. هذا الانتهاك لتناظر الشحنات يمكن أن يؤدي إلى تفسير لسبب وجود مادة أكثر من المادة المضادة في الكون.

في Fermilab ، نشأت شعاع البروتون ، في البداية تحت ستار أيونات الهيدروجين السلبية (كل بروتون واحد مع إلكترونين) ، في مولد Cockcroft-Walton بقدرة 750 كيلو فولت وتم تسريعه إلى 400 MeV في معجل خطي. بعد ذلك جردت رقاقة كربونية الإلكترونات من الأيونات ، وتم حقن البروتونات في الداعم ، وهو عبارة عن سنكروترون صغير بقطر 150 مترًا (500 قدم) ، مما سرع الجسيمات إلى 8 جيف من الداعم تم نقل البروتونات إلى الحاقن الرئيسي ، حيث تم تسريعها إلى 150 GeV قبل إطعامها إلى المرحلة النهائية من التسارع في تيفاترون.

تم إنتاج البروتونات المضادة عن طريق توجيه البروتونات المعجلة إلى 120 GeV من الحاقن الرئيسي في Fermilab على هدف من النيكل. تم فصل البروتونات المضادة من الجزيئات الأخرى التي تم إنتاجها في التصادمات عند الهدف وتم تركيزها بواسطة عدسة الليثيوم قبل أن يتم تغذيتها في حلقة تدعى المخرق ، حيث خضعت للتبريد العشوائي. تم تمريرها أولاً إلى حلقة تراكم ثم إلى حلقة Recycler ، حيث تم تخزينها حتى يكون هناك عدد كاف للحقن في الحاقن الرئيسي. وقد وفر هذا تسارعًا إلى 150 GeV قبل النقل إلى Tevatron.

تم تسريع البروتونات والبروتونات المضادة في وقت واحد في تيفاترون إلى حوالي 1 تي في ، في حزم مضادة. بعد الوصول إلى طاقتهم القصوى ، تم تخزين العارضة ثم سمح لهما بالتصادم عند نقاط حول الحلقة حيث تم وضع أجهزة الكشف لالتقاط الجسيمات المنتجة في التصادمات.

أثناء التخزين في تيفاترون ، انتشرت الحزم تدريجياً بحيث أصبحت التصادمات أقل تواتراً. تم "تفريغ" الحزم في هدف الجرافيت في هذه المرحلة ، وتم عمل الحزم الطازجة. أدت هذه العملية إلى إهدار ما يصل إلى 80 في المائة من البروتونات المضادة ، والتي كان من الصعب صنعها ، لذلك ، عندما تم بناء الحاقن الرئيسي ، تم أيضًا بناء آلة لاسترداد وتخزين البروتونات المضادة القديمة. كان Recycler ، الموجود في نفس النفق مثل الحاقن الرئيسي ، عبارة عن حلقة تخزين مبنية من 344 مغناطيسًا دائمًا. نظرًا لعدم الحاجة إلى تغيير طاقة البروتونات المضادة في هذه المرحلة ، لم يكن المجال المغناطيسي بحاجة إلى التغيير. وفر استخدام المغناطيس الدائم تكاليف الطاقة. قام المبرد "بتبريد" البروتونات القديمة من تيفاترون وأعاد دمجه مع حزمة بروتون جديدة من المركم. تضاعف الحزم المضادة للبروتونات الأكثر كثافة التي ينتجها Recycler عدد التصادمات في Tevatron.

حتى عام 2000 ، تم استخراج البروتونات عند 800 GeV من Tevatron وتوجيهها إلى الأهداف لإنتاج مجموعة متنوعة من حزم الجسيمات لتجارب مختلفة. ثم أصبح الحاقن الرئيسي الجهاز الرئيسي لتوفير الحزم المستخرجة ، بطاقة أقل من 120 ج.ف. ولكن بكثافة أعلى بكثير من تيفاترون المقدمة.