מאיץ החלקיקים של טברון

טבטרון, מאיץ החלקיקים שנמצא במעבדת המאיץ הלאומי של פרמי (פרמילאב) בבטביה, אילינוי. פרמילאב הוא והטברון הופעל עבור משרד האנרגיה האמריקני על ידי האיגוד לחקר האוניברסיטאות, קונסורציום של 85 אוניברסיטאות מחקר בארצות הברית וארבע אוניברסיטאות המייצגות את קנדה, איטליה ויפן. הטברון היה מאיץ החלקיקים בעל האנרגיה הגבוהה ביותר בעולם עד 2009, אז הוחלף על ידי קדרדר הדדרון הגדול של הארגון האירופי למחקר גרעיני (CERN). הטברון נסגר ב- 30 בספטמבר 2011.

הטברון הוקם בשנות השמונים מתחת למאיץ החלקיקים הראשון של פרמילאב, סינכרוטרון פרוטון במנהרה עגולה בהיקף של 6.3 ק"מ (3.9 מיילים). הטווטרון היה סינכרוטרון מוליך-על שניצל את חוזקות השדה המגנטי הגבוהים יותר המיוצרים על ידי 1,000 מגנטים מוליכים-על בכדי להאיץ פרוטונים לרמות אנרגיה גבוהות משמעותית. הטבעת כולה הוחזקה על 4.5 קילווינים (268.7 מעלות צלזיוס, או 451.6 מעלות צלזיוס) על ידי הליום נוזלי. הסינכרוטרון המקורי הפך לחלק ממערכת הזרקת קדם-האצה עבור הטברון, והאיץ חלקיקים ל -150 ג'יגה-וולט (1 ג'יגה-וולט = 1 ג'יגה אלקטרונים וולט = 1 מיליארד וולט אלקטרונים) ואז העביר אותם לטבעת מוליכת העל החדשה להאצה ל -900 ג'יגה-וולט. בשנת 1987 החל הטווטרון לפעול כפורץ-פרוטון-אנטי-פרוטון - כאשר פרוטונים של 900 ג'י-וי-וו היכו אנטי-פרוטונים של 900 ג'יגה-וולט כדי לספק אנרגיות התנגשות מוחלטות של 1.8 טרקטרון וולט (TeV; 1.8 טריליון וולט אלקטרוני). הטבעת הראשית המקורית הוחלפה בשנת 1999 על ידי קדם-מאיץ חדש, מזרק הראשי, שהיה בעל טבעת מגנט בגודל 3.3 ק"מ (2.1 ק"מ). המזרק הראשי העביר קורות אינטנסיביות יותר לטווטרון וכך הגדיל את מספר התנגשויות החלקיקים בפקטור של 10.

התגלית הבכירה של הטברון הייתה של הקווארק העליון, הקווארק השישי והמאסיבי ביותר, בשנת 1995. המדענים הסיקו את קיומו של הקווארק העליון, שנוצר כתוצאה מהתנגשויות פרוטון-אנטי-פרוטון 1.8-TeV, על בסיס ריקבונו מאפיינים. בשנת 2010 מדענים השתמשו בטווטרון כדי לגלות העדפה קלה של B- מזונים (חלקיקים המכילים קווארק תחתון) להתפרק למואונים ולא לאנטימונים. הפרה זו של סימטריה מטען עשויה להביא להסבר מדוע יש יותר חומר מאשר אנטי-חומר ביקום.

בפרמילאב קרן הפרוטון, בתחילה במסווה של יוני מימן שליליים (כל אחד פרוטון בודד עם שני אלקטרונים), מקורו בגנרטור Cockcroft-Walton של 750 קילוואט, והואץ ל -400 MeV במאיץ ליניארי. נייר כסף פחמן הוציא את האלקטרונים מהיונים, והפרוטונים הוזרקו לבוסטר, סינכרוטרון קטן בקוטר 150 מטר (500 רגל), שהאיץ את החלקיקים ל 8 GeV. מהבוסטר הועברו הפרוטונים למזרק הראשי, שם הם האיצו עוד יותר ל -150 GeV לפני שהוזנו לשלב האחרון של ההאצה בטווטרון.

האנטי-פרוטונים נוצרו על ידי כיוון פרוטונים המואצים ל- 120 GeV מהמזרק הראשי בפרמילאב אל יעד ניקל. האנטי-פרוטונים הופרדו מחלקיקים אחרים שהופקו בהתנגשויות ביעד והמוקדו על ידי עדשת ליתיום לפני שהם הוזנו לטבעת שנקראה המתפרק, שם עברו קירור סטוכסטי. הם הועברו תחילה לטבעת מצברים ואז לטבעת Recycler, שם הם אוחסנו עד שהיה מספר מספיק להזרקה למזרק הראשי. זה סיפק תאוצה ל -150 GeV לפני העברה לטייטרון.

פרוטונים ואנטי-פרוטונים מואצים במקביל בטווטרון לכ- TeV 1 בערך, בקורות הגנה נגד-נגד. לאחר שהגיעו לאנרגיה המרבית שלהם, שתי הקורות אוחסנו ואז הורשו להתנגש בנקודות סביב הטבעת שבהן נמצאו גלאים בכדי ללכוד חלקיקים המיוצרים בהתנגשויות.

במהלך האחסון בטפטרון, הקורות התפשטו בהדרגה כך שהתנגשויות הפכו תכופות פחות. הקורות "הושלכו" למטרה גרפיט בשלב זה, ויוצרו קורות טריות. תהליך זה בזבז עד 80 אחוז מהפרוטופונים, שהיו קשים לייצור, ולכן, כאשר נבנה המזרק הראשי, נבנתה גם מכונה לאחזור האחסון של האנטי-פרוטונים הישנים. המחזור, שנמצא באותה מנהרה כמו המזרק הראשי, היה טבעת אחסון שנבנתה מתוך 344 מגנטים קבועים. מכיוון שלא היה צורך לשנות את האנרגיה של האנטי-פרוטונים בשלב זה, השדה המגנטי לא היה צריך להשתנות. השימוש במגנטים קבועים חסך בעלויות אנרגיה. הממחזר "קירר" את האנטי-פרוטונים הישנים מהטברון וגם שילב אותם מחדש עם קרן אנטי-פרוטון חדשה מהמצבר. קרני האנטי-פרוטון העזות יותר שהופקו על ידי ה- Recycler הכפילו את מספר ההתנגשויות בטווטרון.

עד שנת 2000 חולצו פרוטונים בגובה 800 GeV מהטברון והופנו למטרות כדי להניב מגוון קורות חלקיקים לניסויים שונים. המזרק הראשי הפך אז למכונה העיקרית לאספקת קורות מחולצות, באנרגיה נמוכה יותר של 120 ג'יגה-וולט אך בעוצמות גבוהות בהרבה מזו שהטברון סיפק.