Tevatron

Tevatron oli Fermilabi osakestekiirendi Ameerika Ühendriikides Illinoisi osariigis Chicago külje all Batavias. Tevatron oli kuni suure hadronite põrguti valmimiseni maailma suurim põrguti.

Sünkrotronkiirendi paiknes 6,86-kilomeetrise ümbermõõduga rõngakujulises tunnelis. Tevatroni peakiirendis kiirendati vaakumtorudes vastassuundades liikuvaid prootoneid ja antiprootoneid ning lasti neil kahe detektori sisemuses kokku põrgata. Maksimaalne põrkeenergia oli ligi 1 TeV prootoni (antiprootoni) kohta. Selle järgi (TeV-atron) sai põrguti ka oma nime.

Tevatron alustas prootonite kiirendamist 1983. aastal ja lõpetas tegevuse 2011. aastal. Tevatroni abil avastati muu hulgas top-kvark ja mitu barüoni.^[1]

Tevatron oli esimene suur kiirendi, kus hakati kasutama ülijuhtivaid magneteid.^[2]

Fermilabi juures tegutses muu hulgas ka vähiravikeskus, kus kasutati kiiritamiseks Tevatroni eelkiirendite toodetud neutroneid.^[3]

Ajalugu

Uue kompleksi ehitamisel kasutati ära varem samas kohas olnud kiirendeid. Tevatron asus Fermilabile kuuluval umbes 27 ruutkilomeetrisel maa-alal Illinoisi osariigis Chicago lähedal. Põrguti ala on looduslikult mitmekesine, seal leidub soid, metsi ja preeriat. Esindatud on paljud loomaliigid. Alal elavad 1967. aastast ameerika piisonid ning hiljem on juurde toodud ka teisi loomi.^[2]

Kompleks sai alguse 1968. aastal, kui alustati Fermilabi lineaarkiirendi rajamist, aasta hiljem alustati suure ringkiirendi ehitamist.

5. juulil 1979 andis USA energeetikaministeerium Fermilabile heakskiidu ülijuhtiva kiirendi ehitamiseks.^[4] Ehitus läks maksma umbes 120 miljonit USA dollarit. Hiljem on kiirendit täiustatud.

Aastal 1983 installeeriti viimased ülijuhtivad magnetid ja samal aastal kiirendati prootoneid rekordilise 512-gigaelektronvoldise energiani. Samal aastal alustati ka antiprootonite allika rajamisega. Aastal 1985 toodeti esimesed antiprootonid ja detekteeriti esimesed prootonite ja antiprootonite põrked. Aasta hiljem jõuti põrkeenergiani 1,8 TeV.^[5] Aastal 1995 teatasid mõlemad töögrupid top-kvargi avastamisest.^[5]

Ka paljud teadlased arvasid, et Tevatron on eriti seoses suure hadronite põrguti valmimisega oma aja ära elanud, kuid viimase löögi andis energeetikaministeerium, kes jaanuaris 2011 otsustas, et ei eralda 35 miljonit, mida oleks vajatud põrguti käigushoidmiseks 2014. aastani.^[6]Tevatron lülitati lõplikult välja 30. septembril 2011. Katsete juures töötanud füüsikud on jätkanud andmete analüüsimist ka pärast kiirendi töö lõppemist.^[7] Jätkatakse mitut eksperimenti, sealhulgas neutriinoeksperimenti MINOS, mille käigus saadetakse peasööturist neutriinosid läbi maakoore 732 km kaugusele Minnesota osariigi põhjaosas asuvasse maa-alusesse Soudani laborisse, et uurida neutriinovõnkumisi.^[8]

Põrguti ehitus

Kiirendi betoonist tunnel paikneb umbes 10 meetri sügavusel maa all. Iga paarisaja meetri järel asetseb šaht, mis ühendab tunnelit maapinnaga. Maa peal šahtide läheduses paiknesid muu hulgas vedela lämmastiku ja heeliumi mahutid.

Osa tunnelist on kaarekujuline, osa aga sirgjooneline. Kokku on kuus umbes 50 meetri pikkust sirgjoonelist sektsiooni, kus paiknesid detektorid ja seadmed eksperimendi erakorraliseks katkestamiseks ning toimus kiire peale- ja mahalaadimine ning osakeste kiirendamine.

Antiprootonite kogumisring asus põhisööturi kohal samas tunnelis.

Osakeste teekond

Osakeste kiirendamine leidis aset mitmes etapis. Kõigepealt vesiniku aatomid ioniseeriti ja saadi negatiivsed ioonid, mis kiirendati Cockcrofti-Waltoni kiirendis kuni energiani 740 keV. Seejärel kiirendati ioone 150 meetri pikkuses lineaarkiirendis kuni energiani 400 MeV ja umbes 70 protsendini valguse kiirusest. Ioonid juhiti läbi süsiniklehe, mis eemaldas elektronid. Prootonid sisenesid seejärel buusterisse, umbes 450-meetrise ümbermõõduga ringkiirendisse, milles nad läbisid umbes 20 000 ringi ja saavutasid lõpuks energia 8 GeV. Seejärel suunati prootonid umbes 3,2-kilomeetrise ümbermõõduga põhisööturisse (Main Injector). Põhisööturis lisatav energia sõltus sellest, mis otstarbel osakesi kasutada plaaniti. Põrgutisse söödetavaid prootoneid või antiprootoneid kiirendati energiani 150 GeV ehk kiiruseni, mis on üle 99 protsendi valguse kiirusest; antiprootonite tootmiseks mõeldud prootoneid kiirendati aga energiani 120 GeV. Prootonid ja antiprootonid paisati seejärel Tevatroni peakiirendisse-põrgutisse. Seal kiirendati osakesed energiani 980 GeV, lasti kokku põrgata ja registreeriti põrke saadused detektorite abil.^[9]^[10]

Antiprootonite saamiseks põrgatati prootoneid vastu nikkelplaati. Fermilabi kiirendikompleksi antiprootoniallikas (Antiproton Source) tootis iga saja miljoni prootoni kohta umbes 20 antiprootonit. Need suunati seejärel kogumisringi, saadeti põhisööturisse ja jahutati.^[10] Tevatronis toodeti umbes 10¹⁶ antiprootonit ehk kokku umbes 17 nanogrammi. Ajaks, mil Tevatron tegevuse lõpetas, moodustas see üle 90 protsendi inimeste valmistatud antiprootonitest.^[11]

Osakeste kiirendamine ja orbiidil hoidmine

Osakesi kiirendati vasest õõsresonaatorite abil.

Ülijuhtivad magnetid olid jahutatud absoluutse nulltemperatuuri lähedase temperatuurini. Esialgses kiirendis olid magnetid töötanud toatemperatuuril. Kui ülijuhtiv tehnoloogia sai kättesaadavaks, monteeriti ülijuhtivad magnetid olemasolevate magnetite külge. Aastal 1977 lõpetati eksperimendid varem tegutsenud kiirendites ning 1983. aastaks olid uued magnetid installeeritud.

Kiire hoidmiseks ringorbiidil kasutati dipoolmagneteid, kiire fokuseerimiseks kvadrupoolmagneteid. Peenhäälestamiseks olid kasutusel kuue ja kaheksa poolusega magnetid. Osakeste kogumiseks ja säilitamiseks mõeldud seadmetes (sealhulgas antiprootonite kogumisringis) kasutati püsimagneteid.

Detektorid

Põrkesaadusi registreeriti kahe osakestedetektoriga. CDF kaalus 6000 tonni ja selle juures sooritatud eksperimentides osales umbes 500 füüsikut 63 uurimisasutusest 15 riigis. DZero eksperimentides osales samuti umbes 500 füüsikut 90 asutusest 18 riigis.^[12]

Tevatronis toimus tavaliselt kümme miljonit prootoni-antiprootoni põrget sekundis. Kummaski detektoris salvestati umbes 200 põrget sekundis. Juuliks 2011 oli CDF analüüsinud 8 pöördfemtobarni (fb⁻¹) infot, DZero aga 9 fb⁻¹.^[12]

Avastused

Kõige olulisemaks peetakse top-kvargi avastamist ja selle massi väga täpset leidmist. Top-kvargi leidmist kinnitasid mõlema detektori eksperimendid 1995. aastal.^[13] Lisaks avastati, et top-kvark võib tekkida nii üksi kui ka paaris antitop-kvargiga.^[14] Top-kvark oli ainus Standardmudeli ennustatud kvarkidest, mille olemasolule polnud seni veel katsetega kinnitust saadud.

CDF-i töörühm teatas 2006. aastal, et registreerisid neutraalsete B-mesonite võnkumise. Avastati ka c-kvarki sisaldav B-meson (B_c-meson), esialgu teadmata struktuuriga uus osake Y(4140) ja viis barüoni: Ξ_b^– (2007), Ξ_b⁰ (2011), Ω_b^- (2009), Σ_b ja Σ_b^* (2006).^[15] Saadi ka muu hulgas senisest veenvamaid tõendeid aine-antiaine sümmeetria rikkumise kohta b-kvarke sisaldavate osakeste juures.^[14]

Vaata ka

Ülijuhtiv superpõrguti

Viited

Välislingid

[tZofZ-1] The Tevatron: 28 years of discovery and innovation

[overview-2] 2,0 ^2,1 Fermilab overview

[o3uGY-3] Neutron Therapy Facility

[jxWhI-4] Early Milestones

[line-5] 5,0 ^5,1 http://www.fnal.gov/pub/tevatron/milestones/interactive-timeline.html Timeline

[I4c1T-6] President's Energy Budget Invests in Innovation, Clean Energy, and National Security Priorities

[NoBfA-7] Tevatron shuts down but analysis continues

[ESkcq-8] "U.S. closes atom smasher, passes baton to Europe". Originaali arhiivikoopia seisuga 8. aprill 2014. Vaadatud 8. aprillil 2014.

[jNuGt-9] The Fermilab accelerator complex

[ope-10] 10,0 ^10,1 Tevatron Operation

[XBhJl-11] Fermilab Antiproton Source, Recycler Ring, and Main Injector

[media-12] 12,0 ^12,1 Tevatron

[6RxtV-13] Physicists discover top-quark

[high-14] 14,0 ^14,1 Highlights

[l7RLx-15] Fermilab experiment discovers a heavy relative of the neutron

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]