Süper Proton–Antiproton Senkrotron - Super Proton–Antiproton Synchrotron

Hadron çarpıştırıcıları
SppbarS schematics.png
Sp p S kompleksinin şemaları
Kesişen Depolama Halkaları CERN , 1971–1984
Proton-Antiproton Çarpıştırıcısı ( SPS ) CERN , 1981–1991
ISABELLE BNL , 1983'te iptal edildi
Tevatron Fermilab , 1987–2011
Süperiletken Süper Çarpıştırıcı 1993 yılında iptal edildi
Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı BNL , 2000–günümüz
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı CERN , 2009-günümüz
Geleceğin Dairesel Çarpıştırıcısı Önerilen

Süper Proton-Antiproton Sinkrotron (veya Sp s G olarak da bilinir, Proton Antiproton Çarpıştırıcısı ) bir olduğu tanecik hızlandırıcı çalıştırılan CERN'e bir şekilde çalıştırmak için 1991 ile 1981 arasında proton - anti proton hızlandırıcı Süper Proton Sinkrotron ( SPS ) hastaya önemli modifikasyonlar, onu tek ışınlı bir senkrotrondan iki ışınlı bir çarpıştırıcıya çevirerek. Hızlandırıcı ana deneyler vardı UA1 ve UA2 , W ve Z bozonu 1983 yılında keşfedildi Carlo Rubbia ve Meer der Simon van 1984 Alınan Nobel Fizik Ödülü Sp için değerli katkılarından ötürü p led S-proje, W ve Z bozonlarının keşfine . Sp p S'de yürütülen diğer deneyler UA4 , UA5 ve UA8 idi .

Arka fon

1968 civarında Sheldon Glashow , Steven Weinberg ve Abdus Salam ile geldi elektrozayıf teorisi birleşik, elektromanyetizma ve zayıf etkileşimler ve kendisi için onlar 1979 paylaştı Nobel Fizik Ödülü . Teori, W ve Z bozonlarının varlığını varsayıyordu . Deneysel olarak, ilk keşfi olduğu, iki aşamada da kurulmuş nötral akımlar içinde nötrinonun ile saçılma gargamelle de işbirliği CERN Z boson -, az bir kuvvet gerçekleştirmek için bir nötr parçacık varlığını gerekli bir süreç. Gargamelle işbirliğinden elde edilen sonuçlar, W ve Z bozonlarının kütlesinin hesaplanmasını mümkün kıldı. Bu nedenle, W boson 60 80 GeV / C aralığında bir kütle değeri olduğu tahmin edilmiştir 2 ve 75 ila 92 aralığında, Z boson GeV / c 2 - çok büyük miktarda enerji herhangi bir tarafından erişilebilir olması için hızlandırıcının işleminde o zaman. Elektrozayıf teoriyi kurmanın ikinci aşaması, daha güçlü bir hızlandırıcının tasarımını ve yapımını gerektiren W ve Z bozonlarının keşfi olacaktır.

70'lerin sonlarında CERN'in ana projesi Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırıcısının (LEP) inşasıydı. Böyle bir makine, W ve Z bozonlarının özelliklerini üretmek ve ölçmek için idealdi. Bununla birlikte, W ve Z bozonlarını bulma baskısı nedeniyle, CERN topluluğu, LEP'in inşası için sabırsızlanıyordu - yeni bir hızlandırıcıya ihtiyaç vardı - inşası LEP pahasına olamayacaktı. 1976'da Carlo Rubbia , Peter McIntyre ve David Cline , bir proton hızlandırıcıyı değiştirmeyi önerdi - o sırada Fermilab'da bir proton hızlandırıcı zaten çalışıyordu ve bir tanesi CERN'de (SPS) yapım aşamasındaydı - bir proton - antiproton çarpıştırıcısına. Bu tür bir makine, zıt yönde yönlendirilen manyetik alanlar nedeniyle ayrı odalar gerektiren bir proton-proton çarpıştırıcısının aksine, yalnızca tek bir vakum odası gerektiriyordu. Protonlar ve antiprotonlar zıt yükte, ancak aynı enerjide E olduğundan , aynı manyetik alanda zıt yönlerde dolaşabilirler ve toplam kütle merkezi enerjisinde protonlar ve antiprotonlar arasında kafa kafaya çarpışmalar sağlayabilirler . Plan hem Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Fermilab'da hem de CERN'de önerildi ve nihayetinde Süper Proton Senkrotron (SPS) için CERN'de kabul edildi .

W ve Z bozonları esas olarak kuark-antikuark yok edilmesinin bir sonucu olarak üretilir. Gelen parton modelinin bir proton ivme proton seçim arasında paylaşılır: Proton bir kısmı ivme ile gerçekleştirilir kuark , ve geri kalanı ise gluonların . Her kuark momentumun sadece bir kısmını taşıyacağından, protonları bozonun kütlesine eşit bir momentuma hızlandırmak yeterli olmayacaktır. Tahmini 60 ila 80 GeV (W bozonu) ve 75 ila 92 GeV (Z bozonu) aralıklarında bozonlar üretmek için, bu nedenle, kütle merkezi enerjisi bozon kütlelerinin yaklaşık altı katı olan bir proton-antiproton çarpıştırıcısına ihtiyaç duyulacaktır. , yaklaşık 500-600 GeV. Sp p S'nin tasarımı, algılama ihtiyacına göre belirlendi . Olarak enine kesitte ~ 600 Z üretimi için GeV ~ 1,6 nb ve fraksiyonu çürüme ~% 3, a, parlaklık = 2,5 · 10 L 29 cm -2 s -1 etkinlik verecek günde ~ 1 oranı. Böyle bir parlaklığı elde etmek için , SPS'nin açısal ve momentum kabulü ile birkaç demet halinde dağıtılmış, her gün ~3·10 10 antiproton üretebilen bir antiproton kaynağına ihtiyaç duyulacaktır .

Tarih

SPS başlangıçta bir proton ışınını 450 GeV'a hızlandırmak ve sabit hedef deneyleri için hızlandırıcıdan çıkarmak için protonlar için bir senkrotron olarak tasarlandı . Ancak, SPS'nin yapım döneminden önce, onu bir proton-antiproton hızlandırıcısı olarak kullanma fikri ortaya çıktı.

Bir proton-antiproton çarpıştırıcısı için ilk öneri , 1966'da Budker'in yeni elektron soğutma fikrine dayanarak Gersh Budker ve Alexander Skrinsky tarafından Orsay'da yapılmış gibi görünüyor . 1972'de Simon van der Meer , daha sonra 1984 Nobel Fizik Ödülü'nü aldığı stokastik soğutma teorisini yayınladı . Teori, 1974'te CERN'deki Kesişen Depolama Halkaları'nda doğrulandı. Elektron soğutması bir proton-antiproton çarpıştırıcısı fikrine yol açmış olsa da, sonunda ön hızlandırıcılarda Sp p S için antiprotonlar hazırlamak için kullanılan stokastik soğutma oldu .

Bu arada, keşfi nötr akımlar içinde gargamelle CERN'deki deneyde tetikleyen Carlo Rubbia bir proton anti proton çarpıştırıcısı için ve işbirlikçileri öneriyi. 1978'de proje CERN Konseyi tarafından onaylandı ve ilk çarpışmalar Temmuz 1981'de gerçekleşti. İlk çalıştırma 1986'ya kadar sürdü ve önemli bir yükseltmeden sonra 1987'den 1991'e kadar çalışmaya devam etti. Çarpıştırıcı 1991 sonunda kapatıldı, 1987'den beri faaliyette olan Fermilab'daki 1,5 TeV proton-antiproton çarpıştırıcısı ile artık rekabet halinde değildi.

Operasyon

1981 ve 1991 yılları arasında SPS, yılın bir kısmını bir senkrotron olarak, sabit hedef deneyleri için tek bir ışını hızlandırarak ve yılın bir kısmını da bir çarpıştırıcı olarak çalıştıracaktı - Sp p S.

Tipik parametreler Sp p S
Enjeksiyon momentumu [GeV/c] 26
En yüksek momentum [GeV/c] 315
1990'da entegre parlaklık [nb -1 ] 6790
Proton demet yoğunluğu 12·10 10
Antiproton demet yoğunluğu 5,10 10
Kiriş başına demet sayısı 6
Çarpışma noktası sayısı 3

Çarpıştırıcı işlemi için SPS modifikasyonları

Işınların saatlerce dolaşması gereken Sp p S gibi bir depolama halkasının gereksinimleri , SPS olarak darbeli bir senkrotronun gereksinimlerinden çok daha fazla talepkardır. 1978'de Sp p S'ye karar verildikten sonra, SPS'de aşağıdaki değişiklikler yapıldı:

  • Antiprotonları PS'den SPS'ye aktarmak için, saat yönünün tersine enjeksiyon için yeni bir enjeksiyon sistemi ile birlikte yeni bir ışın hattı inşa edildi.
  • SPS, 14 GeV/c enjeksiyon için tasarlandığından ve yeni enjeksiyon 26 GeV/c olacağından, enjeksiyon sisteminin yükseltilmesi gerekiyordu.
  • SPS ışın vakum sisteminin iyileştirilmesi. 2·10 −7 Torr'luk tasarım vakumu SPS için yeterliydi - bir senkrotron olarak ışın 450 GeV'ye hızlandırılacak ve çok kısa bir süre içinde çıkartılacaktı. Sp p S 15 ila 20 saatlik bir depolama süresine sahip olacaktı ve vakumun neredeyse üç büyüklük sırası ile iyileştirilmesi gerekiyordu.
  • Hızlandırma radyofrekans sistemi proton ve antiprotonlar eşzamanlı ivmelerini modifikasyonları geçmesi gerekiyordu. Detektörlerin merkezinde çarpışmaların meydana gelmesi için proton ve antiproton demetlerinin tam olarak senkronize edilmesi gerekiyordu.
  • Işın teşhisinin kısa huzme yoğunluklarına uyarlanması gerekiyordu. Protonların ve antiprotonların bağımsız gözlemi için yönlü kuplörler gibi yeni cihazlar eklendi.
  • Deneyler için devasa deney alanlarının inşası ( UA1 ve UA2 ). Işın durdurma sisteminin deneylere yer açmak için hareket ettirilmesi gerekiyordu.

antiproton üretimi

Simon van der Meer , Antiproton Akümülatör Kontrol Odasında, 1984

Yeterli sayıda antiproton oluşturulması ve depolanması, Sp p S'nin yapımındaki en büyük zorluklardan biriydi. Antiprotonların üretimi, Proton Synchrotron ( PS ) ve Antiproton Accumulator ( AA ) gibi mevcut CERN altyapısının kullanılmasını gerektiriyordu. . Antiprotonlar, PS'den 26 GeV/c'lik bir momentumda yoğun bir proton ışınının üretim için bir hedefe yönlendirilmesiyle üretildi. Ortaya çıkan antiproton patlaması 3.5 GeV/c'lik bir momentuma sahipti ve manyetik olarak seçilip AA'ya yönlendirildi ve saatlerce saklandı. Ana engel, hedeften çıkan antiprotonların momentumlarının ve açılarının büyük dağılımıydı. Kiriş boyutlarını küçültme yöntemine, Simon van der Meer tarafından keşfedilen bir yöntem olan stokastik soğutma denir . Basitçe söylemek gerekirse, tüm kirişlerin parçacık olduğu ve bu nedenle mikroskobik düzeyde belirli bir hacim içindeki yoğunluğun istatistiksel dalgalanmalara tabi olacağı gerçeğine dayanan bir geri besleme sistemidir. W ve Z bozonlarını keşfetme amacı, çarpıştırıcının parlaklığına belirli talepler getirdi ve bu nedenle deney , SPS'nin açısal ve momentum kabulü içinde her gün 3-10 antiproton birkaç demet halinde dağıtabilen bir antiproton kaynağı gerektirdi . AA'da antiprotonların birikmesi birkaç gün sürebilir. 1986-1988 yükseltmesi, AA'nın istifleme hızında on kat artışa izin verdi. AA'nın etrafına Antiproton Toplayıcı (AC) adı verilen ikinci bir halka inşa edildi.

CERN'deki Antiproton Akümülatörüne (AA) Genel Bakış

dolgu

Antiprotonlar AA'da yığıldıktan sonra, PS ve Sp p S bir doldurma için hazırlanır. İlk olarak, her biri ~10 11 proton içeren üç proton demeti, PS'de 26 GeV'ye hızlandırıldı ve Sp p S'ye enjekte edildi. İkinci olarak, her biri ~10 10 antiproton içeren üç demet antiproton AA'dan çıkarıldı ve enjekte edildi. PS'ye girin. PS'de antiproton demetleri, protonların yönünün tersi yönünde 26 GeV'a hızlandırıldı ve Sp p S'ye enjekte edildi . Enjeksiyonlar, hızlandırıcıdaki demet geçişlerinin dedektörlerin merkezinde olmasını sağlayacak şekilde zamanlandı. , UA1 ve UA2. AA'dan Sp p S'ye transfer verimliliği yaklaşık %80 idi. İlk çalıştırmada, 1981-1986, Sp p S üç grup protonu ve üç grup antiprotonu hızlandırdı. Yükseltmede antiprotonların istiflenme hızı artırıldıktan sonra çarpıştırıcıya enjekte edilen hem proton hem de antiproton sayısı üçten altıya çıkarıldı.

Hızlanma

Sp p S'ye enjekte edildiğinde , her iki ışın da 315 GeV'ye hızlandırıldı. Daha sonra, AA bir sonraki doldurmaya hazırlanmak için biriktirmeye devam ederken, 15 ila 20 saatlik fizik veri alımı için depoya geçecekti. Aynı vakum odasında üç demet proton ve üç demet antiproton dolaşırken, altı noktada buluşacaklardı. UA1 ve UA2 bu buluşma noktalarından ikisine yerleştirildi. Deneylerden uzakta kullanılmayan geçiş noktalarında ayırma sağlamak için elektrostatik ayırıcılar kullanıldı. 1983 yılına kadar manyetik bobinlerin dirençli ısınması nedeniyle kütle merkezi enerjisi 546 GeV ile sınırlıydı . Daha fazla soğutmanın eklenmesi, makine enerjisinin 1984'te 630 GeV'a kadar itilmesine izin verdi.

900 GeV'de çarpışmaların elde edilmesi

Sabit hedef deneyleri için bir hızlandırıcı olarak çalıştırıldığında ışın saniye içinde ekstre edilmeden önce (veya ikinci bir küçük bir kısmını içine enjeksiyon için bir demet hızlandırmak için kullanıldığında, PLC, 450 GeV'e bir ışın hızlandırabilir LHC ). Ancak çarpıştırıcı olarak çalıştırıldığında ışın demeti hattında saatlerce saklanmalı ve hızlandırıcının dipol mıknatısları daha uzun süre sabit bir manyetik alan tutmalıdır. Mıknatısların aşırı ısınmasını önlemek için Sp p S, ışınları yalnızca 315 GeV kütle merkezi enerjisine hızlandırır. Ancak bu sınır, mıknatısları 100 GeV ve makinelerin maksimum kapasitesi 450 GeV arasında yükselterek aşılabilir. Sp p S, huzmeleri 450 GeV'a hızlandıracak, onları mıknatısların ısınmasıyla sınırlı bir süre boyunca bu enerji olarak tutacak, ardından huzmeleri 100 GeV'a yavaşlatacaktır. Darbe, mıknatıslardaki ortalama güç dağılımı 315 GeV'deki çalışma seviyesini aşmayacak şekilde çalıştırıldı. Sp p S, 1985'ten sonra ara sıra darbeli operasyon yürüttü ve 900 GeV kütle merkezi enerjisinde çarpışmalar elde etti.

Bulgular ve Keşifler

Duyuru keşfinin yapıldığı 25 Ocak 1983 tarihinde basın toplantısı W bozonu de CERN'e . Sağdan sola: Carlo Rubbia , UA1 deneyinin sözcüsü ; stokastik soğutma tekniğinin geliştirilmesinden sorumlu Simon van der Meer ; CERN Genel Direktörü Herwig Schopper ; CERN Araştırma Direktörü Erwin Gabathuler ve UA2 deneyinin sözcüsü Pierre Darriulat .

Sp p S, Temmuz 1981'de faaliyete başladı ve Ocak 1983'e kadar UA1 ve UA2 deneyi tarafından W ve Z bozonunun keşfedildiği açıklandı. UA1 deneyinin sözcüsü Carlo Rubbia ve Simon van der Meer , Nobel Komitesinin basın açıklamasında belirtildiği gibi , 1984 Nobel Fizik Ödülü'nü "(...) alan parçacıklarının keşfine W ve Z (...)". Ödül, "(...) var olan büyük bir hızlandırıcıyı protonlar ve antiprotonlar için bir depolama halkasına dönüştürme fikri", yani Sp p S kavramı için Carlo Rubbia'ya ve "Sp p S kavramı için" Simon van der Meer'e verildi. (...) protonun yoğun bir şekilde paketlenmesi ve depolanması için dahiyane bir yöntem, şimdi antiprotonlar için de uygulanıyor", yani Antiproton Akümülatörünü mümkün kılan teknolojinin tasarımı — stokastik soğutma. Sp p S'nin tasarımı, yapımı ve işletimi başlı başına büyük bir teknik başarı olarak kabul edildi.

Sp p S devreye alınmadan önce, makinenin hiç çalışıp çalışmayacağı veya demetlenmiş kirişler üzerindeki kiriş-ışın etkilerinin yüksek parlaklıkta bir işlemi engelleyip engelleyeceği tartışılıyordu. Sp p S, demetlenmiş kirişler üzerindeki ışın demeti etkisinin üstesinden gelinebileceğini ve hadron çarpıştırıcılarının parçacık fiziği deneyleri için mükemmel araçlar olduğunu kanıtladı. Bu bağlamda, CERN'deki yeni nesil hadron çarpıştırıcısı olan LHC'nin temel çalışmalarını attı .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar