テバトロン粒子加速器

イリノイ州バタビアのフェルミ国立加速器研究所（Fermilab）に設置された粒子加速器、テバトロン。フェルミラボは、米国のエネルギー省のために、米国の85の研究大学とカナダ、イタリア、日本を代表する4つの大学からなるコンソーシアムである大学研究協会によって運営されています。テバトロンは、2009年までヨーロッパの核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器に取って代わられるまで、世界で最もエネルギーの高い粒子加速器でした。Tevatronは2011年9月30日に閉鎖されました。

テバトロンは、フェルミラボの最初の粒子加速器、周囲6.3 km（3.9マイル）の円形トンネル内の陽子シンクロトロンの下に1980年代に建設されました。テバトロンは超伝導シンクロトロンで、1,000個の超伝導磁石によって生成される高い磁場強度を利用して、陽子を大幅に高いエネルギーレベルに加速しました。リング全体は、液体ヘリウムによって4.5ケルビン（-268.7°C、または-451.6°F）に維持されました。元のシンクロトロンは、Tevatronの加速器前注入システムの一部となり、粒子を150 GeV（1 GeV = 1ギガ電子ボルト= 10億電子ボルト）に加速し、次にそれらを新しい超伝導リングに転送して900 GeVに加速しました。1987年に、Tevatronは陽子-反陽子コライダーとして運用を開始しました。900-GeV陽子が900-GeV反陽子に衝突し、1.8テラエレクトロンボルト（TeV; 1.8兆電子ボルト）の総衝突エネルギーを提供します。元のメインリングは、1999年に3.3 km（2.1マイル）のマグネットリングを備えた新しい予備加速器であるメインインジェクターに置き換えられました。メインインジェクターは、より強力なビームをTevatronに送り、粒子の衝突数を10倍に増やしました。

テバトロンの最初の発見は、1995年のトップクォーク、6番目で最も大きなクォークの発見でした。科学者は、崩壊に基づいて1.8 TeVの陽子-反陽子衝突の結果として生成されたトップクォークの存在を推測しました。特性。2010年、科学者たちはテバトロンを使用して、B中間子（ボトムクォークを含む粒子）が反ミューオンではなくミューオンに崩壊することをわずかに優先することを検出しました。電荷対称性のこの違反は、宇宙に反物質よりも多くの物質がある理由の説明につながる可能性があります。

Fermilabで陽子ビームは、最初は負の水素イオン（それぞれ2つの電子を持つ単一の陽子）を装っており、750 kVコッククロフトウォルトンジェネレーターで発生し、線形加速器で400 MeVに加速されました。次に、炭素ホイルがイオンから電子を取り除き、陽子がブースター（直径150メートル（500フィート）の小型シンクロトロン）に注入され、粒子を8 GeVに加速しました。ブースターから陽子はメインインジェクターに転送され、そこで150 GeVにさらに加速されてから、テバトロンの加速の最終段階に送られます。

反陽子は、フェルミラボのメインインジェクターから120 GeVに加速された陽子をニッケルターゲットに向けることによって生成されました。反陽子は、ターゲットでの衝突で生成された他の粒子から分離され、リチウムレンズによって集束された後、debuncherと呼ばれるリングに送り込まれ、確率論的な冷却を受けました。それらは最初にアキュムレーターリングに渡され、次にリサイクラーリングに渡され、メインインジェクターへの注入に十分な数になるまで保管されました。これにより、Tevatronに転送する前に150 GeVに加速しました。

陽子と反陽子は、反対方向に回転するビームで、Tevatronで同時に約1 TeVに加速されました。最大エネルギーに達した2つのビームは保存され、衝突で生成された粒子を捕捉するために検出器が配置されたリングの周囲の点で衝突することができました。

テバトロンでの保管中、ビームは徐々に広がり、衝突の頻度が減りました。この段階で、ビームはグラファイトターゲットに「ダンプ」され、新しいビームが作成されました。このプロセスでは、反陽子の最大80％が無駄になり、作成が困難でした。そのため、メインインジェクターが構築されたときに、古い反陽子を取得して格納するマシンも構築されました。メインインジェクターと同じトンネル内にあるリサイクラーは、344個の永久磁石で構築されたストレージリングでした。この段階では反陽子のエネルギーを変化させる必要がないため、磁場を変化させる必要はありませんでした。永久磁石の使用により、エネルギーコストを節約できました。リサイクラーは、Tevatronからの古い反陽子を「冷却」し、アキュムレーターからの新しい反陽子ビームでそれらを再統合しました。リサイクラーによって生成されるより強力な反陽子ビームは、Tevatronでの衝突の数を2倍にしました。

2000年まで、800 GeVの陽子がテバトロンから抽出され、ターゲットに向けられて、さまざまな実験用のさまざまな粒子ビームが生成されました。メインインジェクターは、120 GeVという低いエネルギーで、Tevatronが提供するよりもはるかに高い強度で、抽出されたビームを提供する主要な機械となりました。