Tevatron

El Tevatron fue un acelerador de partículas circular (activo hasta 2011) en los Estados Unidos , en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (llamado Fermilab ), al este de Batavia, Illinois , y fue el colisionador de partículas de mayor energía hasta que se construyó el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) cerca de Ginebra, Suiza . El Tevatron era un sincrotrón que aceleraba protones y antiprotones en un anillo de 6,28 km (3,90 mi) de circunferencia a energías de hasta 1 TeV , de ahí su nombre. ^{[ 1 ] [ 2 ]} El Tevatron se completó en 1983 a un costo de $120 millones y se realizaron importantes inversiones en mejoras durante sus años de actividad de 1983 a 2011.  

El principal logro del Tevatron fue el descubrimiento en 1995 del quark top , el último fermión fundamental predicho por el Modelo Estándar de la física de partículas. El 2 de julio de 2012, científicos de los equipos de experimentos de colisionadores CDF y DØ en Fermilab anunciaron los resultados del análisis de aproximadamente 500 billones de colisiones producidas por el colisionador Tevatron desde 2001, y encontraron que la existencia del supuesto bosón de Higgs era altamente probable con una confianza del 99,8%, ^{[ 3 ]} que luego mejoró a más del 99,9%. ^{[ 4 ]}

El Tevatron cesó sus operaciones el 30 de septiembre de 2011 debido a recortes presupuestarios ^{[ 5 ]} y a la finalización del LHC, que comenzó a operar a principios de 2010 y es mucho más potente (las energías previstas eran dos haces de 7 TeV en el LHC en comparación con 1 TeV en el Tevatron). El anillo principal del Tevatron probablemente se reutilizará en experimentos futuros, y sus componentes podrían transferirse a otros aceleradores de partículas. ^{[ 6 ]}

El 1 de diciembre de 1968 se colocó la primera piedra del acelerador lineal (linac). La construcción del recinto principal del acelerador comenzó el 3 de octubre de 1969, cuando Robert R. Wilson , director del NAL, dio la primera palada. Este recinto se convertiría en el  anillo principal de Fermilab, con una circunferencia de 6,3 km. ^{[ 1 ]}

El primer  haz de 200 MeV del linac comenzó a funcionar el 1 de diciembre de 1970. El primer  haz de 8 GeV del acelerador de refuerzo se produjo el 20 de mayo de 1971. El 30 de junio de 1971, un haz de protones fue guiado por primera vez a través de todo el sistema de aceleradores del Laboratorio Nacional de Aceleradores, incluido el Anillo Principal. El haz se aceleró solo hasta 7  GeV. En aquel entonces, el acelerador de refuerzo tomaba  protones de 200 MeV del linac y "aumentaba" su energía a 8  mil millones de electronvoltios. Luego se inyectaban en el acelerador principal. ^{[ 1 ]}

El mismo año anterior a la finalización del Anillo Principal, Wilson testificó ante el Comité Conjunto de Energía Atómica el 9 de marzo de 1971 que era factible alcanzar una mayor energía mediante el uso de imanes superconductores . También sugirió que esto podría lograrse utilizando el mismo túnel que el Anillo Principal y que los nuevos imanes se instalarían en las mismas ubicaciones para operar en paralelo con los imanes existentes del Anillo Principal. Ese fue el punto de partida del proyecto Tevatron. ^{[ 7 ]} El Tevatron estuvo en fase de investigación y desarrollo entre 1973 y 1979, mientras que la aceleración en el Anillo Principal continuó mejorándose. ^{[ 8 ]}

Una serie de hitos vieron cómo la aceleración aumentaba a 20  GeV el 22 de enero de 1972, a 53  GeV el 4 de febrero y a 100  GeV el 11 de febrero. El 1 de marzo de 1972, el entonces sistema acelerador del NAL aceleró por primera vez un haz de protones a su energía de diseño de 200  GeV. A finales de 1973, el sistema acelerador del NAL operaba de forma rutinaria a 300  GeV. ^{[ 1 ]}

El 14 de mayo de 1976, Fermilab llevó sus protones hasta los 500  GeV. Este logro brindó la oportunidad de introducir una nueva escala de energía, el teraelectronvoltio (TeV), equivalente a 1000 GeV. El 17 de junio de ese mismo año, el acelerador de sincrotrón de superprotones  europeo (SPS) había logrado un haz de protones circulante inicial (sin potencia de radiofrecuencia aceleradora) de tan solo 400 GeV. ^{[ 9 ]}

El anillo principal de imanes convencionales se cerró en 1981 para la instalación de imanes superconductores debajo de él. El anillo principal continuó funcionando como inyector para el Tevatron hasta que el inyector principal se completó al oeste del anillo principal en 2000. ^{[ 7 ]} El «duplicador de energía», como se le conocía entonces, produjo su primer haz acelerado —512 GeV— el 3 de julio de 1983. ^{[ 10 ]}

Su energía inicial de 800  GeV se alcanzó el 16 de febrero de 1984. El 21 de octubre de 1986, la aceleración en el Tevatron se elevó a 900  GeV, lo que proporcionó una primera colisión protón-antiprotón a 1,8  TeV el 30 de noviembre de 1986. ^{[ 11 ]}

El inyector principal , que reemplazó al anillo principal, ^{[ 12 ]} fue la adición más importante, construida durante seis años a partir de 1993 con un costo de 290 millones de dólares. ^{[ 13 ]} La segunda fase de la operación del colisionador Tevatron comenzó el 1 de marzo de 2001, tras la finalización exitosa de dicha mejora de las instalaciones. Desde entonces, el haz ha sido capaz de entregar una energía de 980  GeV. ^{[ 12 ]}

El 16 de julio de 2004, el Tevatron alcanzó un nuevo pico de luminosidad , rompiendo el récord que ostentaban los antiguos Anillos de Almacenamiento Intersecantes Europeos (ISR) del CERN. Ese mismo récord de Fermilab se duplicó el 9 de septiembre de 2006, luego se triplicó con creces el 17 de marzo de 2008 y, finalmente, se multiplicó por un factor de 4 con respecto al récord anterior de 2004 el 16 de abril de 2010 (hasta 4 × 10³²  cm ⁻² s ⁻¹ ). ^{[ 11 ]}

El Tevatron cesó sus operaciones el 30 de septiembre de 2011. A finales de 2011, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN había alcanzado una luminosidad casi diez veces superior a la del Tevatron (3,65 × 10³³  cm ⁻² s ⁻¹ ) y una energía de haz de 3,5 TeV cada uno (haciéndolo desde el 18 de marzo de 2010), ya ~3,6 veces las capacidades del Tevatron (a 0,98 TeV).

La aceleración se produjo en varias etapas. La primera etapa fue el preacelerador Cockcroft-Walton de 750 keV , que ionizó el gas hidrógeno y aceleró los iones negativos creados mediante un voltaje positivo . Los iones pasaron entonces al acelerador lineal (linac) de 150 metros de longitud , que utilizó campos eléctricos oscilantes para acelerarlos hasta 400 MeV . Posteriormente, los iones atravesaron una lámina de carbono para eliminar los electrones , y los protones cargados se dirigieron al Booster . ^{[ 14 ]}

El Booster era un pequeño sincrotrón circular, alrededor del cual los protones pasaban hasta 20 000 veces para alcanzar una energía de aproximadamente 8 GeV . Desde el Booster, las partículas se introducían en el Inyector Principal, que se había completado en 1999 para realizar diversas tareas. Podía acelerar protones hasta 150 GeV; producir protones de 120 GeV para la creación de antiprotones; aumentar la energía de los antiprotones a 150 GeV; e inyectar protones o antiprotones en el Tevatron. Los antiprotones se creaban mediante la Fuente de Antiprotones . Los protones de 120 GeV colisionaban con un blanco de níquel, produciendo una gama de partículas, incluidos antiprotones, que podían recogerse y almacenarse en el anillo acumulador. El anillo podía entonces transferir los antiprotones al Inyector Principal.

El Tevatron podía acelerar las partículas del Inyector Principal hasta 980 GeV. Los protones y antiprotones se aceleraban en direcciones opuestas, cruzándose en los detectores CDF y DØ para colisionar a 1,96 TeV. Para mantener las partículas en la trayectoria, el Tevatron utilizaba 774 imanes dipolares superconductores de niobio-titanio enfriados en helio líquido , que producían una intensidad de campo de 4,2 teslas . El campo aumentaba gradualmente durante unos 20 segundos a medida que las partículas se aceleraban. Se utilizaban otros 240 imanes cuadrupolares de NbTi para enfocar el haz. ^{[ 2 ]}

La luminosidad ^de diseño inicial del Tevatron era de ^10³⁰ cm⁻² ^s⁻¹ , sin embargo, tras las mejoras, el acelerador ha podido ofrecer luminosidades de hasta 4 × 10³²  cm ⁻² s ⁻¹ . ^{[ 15 ]}

El 27 de septiembre de 1993, el sistema de refrigeración criogénica del acelerador Tevatron fue declarado Monumento Histórico Internacional por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos . El sistema, que suministraba helio líquido criogénico a los imanes superconductores del Tevatron, era el sistema de baja temperatura más grande existente al completarse en 1978. Mantenía las bobinas de los imanes, que curvaban y enfocaban el haz de partículas, en estado superconductor, de modo que consumían solo un tercio de la energía que habrían requerido a temperaturas normales. ^{[ 8 ]}

El Tevatron confirmó la existencia de varias partículas subatómicas predichas por la física teórica de partículas , o sugirió su existencia. En 1995, las colaboraciones de los experimentos CDF y DØ anunciaron el descubrimiento del quark top , y en 2007 midieron su masa (172 GeV) con una precisión de casi el 1%. En 2006, la colaboración CDF informó de la primera medición de oscilaciones B _s y la observación de dos tipos de bariones sigma . ^{[ 16 ]} En 2007, las colaboraciones DØ y CDF informaron de la observación directa del barión Xi ( Ξ ⁻ _b ) de la "Cascada B" . ^{[ 17 ]}

En septiembre de 2008, la colaboración DØ informó la detección del Ω ⁻ _b , un barión Omega "doblemente extraño " con una masa medida significativamente mayor que la predicción del modelo de quarks. ^{[ 18 ] [ 19 ]} En mayo de 2009, la colaboración CDF hizo públicos sus resultados sobre la búsqueda de Ω ⁻ _b basados ​​en el análisis de una muestra de datos aproximadamente cuatro veces mayor que la utilizada por el experimento DØ. ^{[ 20 ]} Las mediciones de masa del experimento CDF fueron6 054 .4 ± 6.8  MeV/ c ² y en excelente acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar, y no se ha observado ninguna señal en el valor previamente informado del experimento DØ. Los dos resultados inconsistentes de DØ y CDF difieren en111 ± 18  MeV/ c² o 6,2 desviaciones estándar. Debido a la excelente concordancia entre la masa medida por CDF y la predicción teórica, esto indica claramente que la partícula descubierta por CDF es efectivamente ^Ω − ^b _. Se prevé que los nuevos datos de los experimentos del LHC aclaren la situación próximamente.

El 2 de julio de 2012, dos días antes de un anuncio programado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), científicos del colisionador Tevatron de las colaboraciones CDF y DØ anunciaron sus hallazgos del análisis de alrededor de 500 billones de colisiones producidas desde 2001: encontraron que la existencia del bosón de Higgs era probable con una masa en la región de 115 a 135 GeV. ^{[ 21 ] [ 22 ]} La significancia estadística de los signos observados fue de 2,9 sigma, lo que significa que hay solo una probabilidad de 1 en 550 de que una señal de esa magnitud hubiera ocurrido si no existiera ninguna partícula con esas propiedades. Sin embargo, el análisis final de los datos del Tevatron no resolvió la cuestión de si la partícula de Higgs existe. ^{[ 3 ] [ 23 ]} Solo cuando los científicos del Gran Colisionador de Hadrones anunciaron los resultados más precisos del LHC el 4 de julio de 2012, con una masa de 125,3 ± 0,4 GeV ( CMS ) ^{[ 24 ]} o 126 ± 0,4 GeV ( ATLAS ) ^{[ 25 ]} respectivamente, hubo una fuerte evidencia a través de mediciones consistentes del LHC y el Tevatron de la existencia de una partícula de Higgs en ese rango de masa.

Incluso a miles de kilómetros de distancia, los terremotos provocaron movimientos lo suficientemente fuertes en los imanes como para afectar negativamente la calidad de los haces de partículas e incluso interrumpirlos. Por lo tanto, se instalaron inclinómetros en los imanes del Tevatron para monitorear movimientos mínimos y ayudar a identificar rápidamente la causa de los problemas. El primer terremoto conocido que interrumpió el haz fue el terremoto de Denali de 2002 , y otro apagón del colisionador fue causado por un terremoto local moderado el 28 de junio de 2004. ^{[ 26 ]} Desde entonces, se detectaron vibraciones sísmicas mínimas provenientes de más de 20 terremotos en el Tevatron sin que se produjera un apagón, incluyendo el terremoto del Océano Índico de 2004 , el terremoto de Nias-Simeulue de 2005 , el terremoto de Gisborne de Nueva Zelanda de 2007 , el terremoto de Haití de 2010 y el terremoto de Chile de 2010. ^{[ 27 ]}

• Bevatrón
• Gran Colisionador de Hadrones
• Supercolisionador superconductor
• Rayo cósmico de ultra alta energía
• Colisionador de iones pesados ​​relativistas

• Valery Lebedev, Vladimir Shiltsev, ed. (2014). Física de aceleradores en el colisionador Tevatron . Aceleración y detección de partículas. Springer. Bibcode : 2014aptc.book.....L . doi : 10.1007/978-1-4939-0885-1 . ISBN 978-1-4939-0884-4.

• Contenido multimedia relacionado con Tevatron en Wikimedia Commons
• Estado de Tevatron en directo
• Página de FermiLab para Tevatron – con componentes etiquetados
• La búsqueda del bosón de Higgs en el Tevatron.
• Detalles técnicos de los aceleradores

41°49′55″N 88°15′07″O / 41.832°N 88.252°O / 41.832; -88.252