Síncrotron Super Próton-Antipróton - Super Proton–Antiproton Synchrotron
Anéis de armazenamento que se cruzam | CERN , 1971-1984 |
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Colisor Proton-Antiproton ( SPS ) | CERN , 1981-1991 |
ISABELLE | BNL , cancelado em 1983 |
Tevatron | Fermilab , 1987-2011 |
Supercondutor Super Collider | Cancelado em 1993 |
Colisor Relativístico de Íons Pesados | BNL , 2000-presente |
Grande Colisor de Hádrons | CERN , 2009-presente |
Futuro Colisor Circular | Proposto |
O Super Proton-Antiproton Synchrotron (ou Sp p S , também conhecido como Proton-Antiproton Collider ) foi um acelerador de partículas que operou no CERN de 1981 a 1991. Para operar como um próton - antiproton colisor do Super Proton Synchrotron ( SPS ) foi submetido modificações substanciais, alterando-o de um síncrotron de um feixe para um colisor de dois feixes. Os principais experimentos no acelerador foram UA1 e UA2 , onde os bósons W e Z foram descobertos em 1983. Carlo Rubbia e Simon van der Meer receberam o Prêmio Nobel de Física de 1984 por sua contribuição decisiva para o projeto Sp p S, que levou para a descoberta dos W e Z bosões . Outros experimentos conduzidos no Sp p S foram UA4 , UA5 e UA8 .
Fundo
Por volta de 1968, Sheldon Glashow , Steven Weinberg e Abdus Salam surgiram com a teoria eletrofraca , que unificou o eletromagnetismo e as interações fracas , e pela qual eles dividiram o Prêmio Nobel de Física de 1979 . A teoria postulada a existência de W e Z bosões . Foi estabelecido experimentalmente em duas etapas, sendo a primeira a descoberta de correntes neutras no espalhamento de neutrinos pela colaboração de Gargamelle no CERN , processo que exigia a existência de uma partícula neutra para transportar a força fraca - o bóson Z. Os resultados da colaboração de Gargamelle tornaram os cálculos da massa dos bósons W e Z possíveis. Foi previsto que o bóson W tinha um valor de massa na faixa de 60 a 80 GeV / c 2 , e o bóson Z na faixa de 75 a 92 GeV / c 2 - energias muito grandes para serem acessíveis por qualquer acelerador em operação naquela hora. A segunda etapa do estabelecimento da teoria eletrofraca seria a descoberta dos bósons W e Z, exigindo o projeto e a construção de um acelerador mais poderoso.
Durante o final dos anos 70, o principal projeto do CERN foi a construção do Grande Colisor Eletron-Positron (LEP). Essa máquina era ideal para produzir e medir as propriedades dos bósons W e Z. No entanto, devido à pressão para encontrar os bósons W e Z, a comunidade do CERN sentiu que não podia esperar pela construção do LEP - um novo acelerador era necessário - cuja construção não poderia ser às custas do LEP. Em 1976, Carlo Rubbia , Peter McIntyre e David Cline propuseram modificar um acelerador de prótons - na época, um acelerador de prótons já estava funcionando no Fermilab e outro em construção no CERN (SPS) - em um colisor de prótons - antiprótons . Essa máquina exigia apenas uma única câmara de vácuo, ao contrário de um colisor de prótons-prótons, que requer câmaras separadas devido a campos magnéticos direcionados de forma oposta. Como os prótons e antiprótons têm cargas opostas, mas a mesma energia E , eles podem circular no mesmo campo magnético em direções opostas, proporcionando colisões frontais entre os prótons e os antiprótons em uma energia total do centro de massa . O esquema foi proposto tanto no Fermilab nos Estados Unidos quanto no CERN, e foi finalmente adotado no CERN para o Super Proton Synchrotron (SPS).
Os bósons W e Z são produzidos principalmente como resultado da aniquilação do quark-antiquark. No modelo de parton, o momentum de um próton é compartilhado entre os constituintes do próton: uma parte do momentum do próton é carregada pelos quarks e o restante pelos glúons . Não será suficiente acelerar prótons a um momento igual à massa do bóson, pois cada quark carregará apenas uma parte do momento. Para produzir bósons nos intervalos estimados de 60 a 80 GeV (bóson W) e 75 a 92 GeV (bóson Z), seria necessário, portanto, um colisor próton-antipróton com uma energia de centro de massa de aproximadamente seis vezes a massa do bóson , cerca de 500-600 GeV. O desenho do Sp p S foi determinado pela necessidade de detectar . Como a seção transversal para a produção de Z em ~ 600 GeV é ~ 1,6 nb, e a fração de decaimento é ~ 3%, uma luminosidade de L = 2,5 · 10 29 cm −2 s −1 daria um evento taxa de ~ 1 por dia. Para atingir tal luminosidade, seria necessária uma fonte de antiprótons capaz de produzir ~ 3 · 10 10 antiprótons por dia, distribuídos em alguns cachos com aceitação angular e de momento do SPS.
História
O SPS foi originalmente projetado como um síncrotron para prótons, para acelerar um feixe de prótons a 450 GeV e extraí-lo do acelerador para experimentos com alvos fixos . Porém, já antes do período de construção do SPS, surgiu a ideia de usá-lo como um acelerador de prótons-antiprótons.
A primeira proposta para um colisor próton-antipróton parece ter sido feita por Gersh Budker e Alexander Skrinsky em Orsay em 1966, com base na nova ideia de Budker de resfriamento de elétrons . Em 1972, Simon van der Meer publicou a teoria do resfriamento estocástico , pela qual ele mais tarde recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1984 . A teoria foi confirmada nos anéis de armazenamento de intersecção no CERN em 1974. Embora o resfriamento de elétrons possa ter levado à ideia de um colisor próton-antipróton, eventualmente foi o resfriamento estocástico que foi usado nos pré-aceleradores para preparar antiprótons para o Sp p S.
Enquanto isso, a descoberta de correntes neutras no experimento Gargamelle no CERN desencadeou a proposta de Carlo Rubbia e colaboradores para um colisor próton-antipróton. Em 1978, o projeto foi aprovado pelo Conselho do CERN e as primeiras colisões ocorreram em julho de 1981. A primeira operação durou até 1986 e, após uma atualização substancial, continuou a operar de 1987 a 1991. O colisor foi desligado no final de 1991, já que não era mais competitivo com o colisor próton-antipróton de 1,5 TeV no Fermilab, que estava em operação desde 1987.
Operação
Entre 1981 e 1991, o SPS operaria parte do ano como síncrotron, acelerando um único feixe para experimentos de alvo fixo, e parte do ano como colisor - Sp p S.
Parâmetros típicos | Sp p S |
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Momento de injeção [GeV / c] | 26 |
Momento superior [GeV / c] | 315 |
Luminosidade integrada em 1990 [nb −1 ] | 6790 |
Intensidade de feixe de prótons | 12,10 10 |
Intensidade do cacho de antiprótons | 5 · 10 10 |
Número de cachos por viga | 6 |
Número de pontos de colisão | 3 |
Modificações do SPS para operação do colisor
Os requisitos de um anel de armazenamento como o Sp p S, no qual os feixes devem circular por muitas horas, são muito mais exigentes do que os de um síncrotron pulsado, como o SPS. Depois que o Sp p S foi decidido em 1978, as seguintes modificações foram feitas no SPS:
- Para transferir os antiprótons do PS para o SPS, uma nova linha de feixe foi construída, juntamente com um novo sistema de injeção para injeção no sentido anti-horário.
- Como o SPS foi projetado para uma injeção de 14 GeV / c e a nova injeção seria de 26 GeV / c, o sistema de injeção teve que ser atualizado
- Melhoria do sistema de vácuo de feixe SPS. O vácuo de projeto de 2 · 10 -7 Torr foi adequado para SPS - como um síncrotron, o feixe seria acelerado para 450 GeV e extraído durante um tempo muito curto. O Sp p S teria um tempo de armazenamento de 15 a 20 horas, e o vácuo deveria ser melhorado em quase três ordens de magnitude.
- O sistema de aceleração de radiofrequência teve que sofrer modificações para acelerações simultâneas de prótons e antiprótons. Os feixes de prótons e antiprótons tiveram que ser sincronizados com precisão para que as colisões ocorressem no centro dos detectores.
- O diagnóstico do feixe teve que ser adaptado às intensidades do feixe baixo. Novos dispositivos foram adicionados, como acopladores direcionais para observação independente de prótons e antiprótons.
- Construção de grandes áreas experimentais para experimentos ( UA1 e UA2 ). O sistema de interrupção do feixe teve que ser movido para dar lugar aos experimentos.
Produção de antiprótons
A criação e armazenamento de antiprótons em número suficiente foram um dos maiores desafios na construção do Sp p S. A produção de antiprótons exigiu o uso da infraestrutura existente do CERN, como o Síncrotron de Prótons ( PS ) e o Acumulador de Antiprótons ( AA ) . Os antiprótons foram produzidos direcionando um feixe de prótons intenso a um momento de 26 GeV / c do PS para um alvo para produção. A explosão emergente de antiprótons tinha um momentum de 3,5 GeV / c, e foi magneticamente selecionada e direcionada para o AA e armazenada por muitas horas. O principal obstáculo era a grande dispersão de momentos e ângulos dos antiprótons emergindo do alvo. O método de redução das dimensões do feixe é chamado de resfriamento estocástico , um método descoberto por Simon van der Meer . Simplificando, é um sistema de feedback baseado no fato de que todos os feixes são particulados e, portanto, em um nível microscópico, a densidade dentro de um determinado volume estará sujeita a flutuações estatísticas. O objetivo de descobrir os bósons W e Z colocava certas demandas na luminosidade do colisor e, portanto, o experimento exigia uma fonte de antiprótons capaz de fornecer 3 · 10 10 antiprótons a cada dia em alguns grupos dentro da aceitação angular e de momento do SPS. O acúmulo de antiprótons no AA pode levar vários dias. A atualização de 1986-1988 permitiu um aumento de dez vezes na taxa de empilhamento do AA. Um segundo anel, denominado Coletor de Antiprótons (AC), foi construído em torno do AA.
O preenchimento
Depois que os antiprótons foram empilhados no AA, o PS e o Sp p S se preparariam para um preenchimento. Primeiro, três cachos de prótons, cada um contendo ~ 10 11 prótons, foram acelerados para 26 GeV no PS e injetados no Sp p S. Em segundo lugar, três cachos de antiprótons, cada um contendo ~ 10 10 antiprótons foram extraídos do AA e injetados no PS. No PS, os feixes de antiprótons foram acelerados a 26 GeV na direção oposta à dos prótons e injetados no Sp p S. As injeções foram cronometradas de forma a garantir que os cruzamentos dos feixes no acelerador ocorressem no centro dos detectores , UA1 e UA2. A eficiência de transferência do AA para o Sp p S foi de cerca de 80%. Na primeira corrida, 1981–1986, o Sp p S acelerou três grupos de prótons e três grupos de antiprótons. Depois que a taxa de empilhamento dos antiprótons foi aumentada na atualização, o número de prótons e antiprótons injetados no colisor foi aumentado de três para seis.
Aceleração
Quando injetados no Sp p S, ambos os feixes foram acelerados para 315 GeV. Em seguida, ele passaria para o armazenamento por 15 a 20 horas de coleta de dados físicos, enquanto o AA retomava a acumulação em preparação para o próximo preenchimento. Como três grupos de prótons e três grupos de antiprótons circulavam na mesma câmara de vácuo, eles se encontrariam em seis pontos. UA1 e UA2 foram colocados em dois desses pontos de encontro. Separadores eletrostáticos foram usados para conseguir a separação nos pontos de cruzamento não utilizados longe dos experimentos. Até 1983, a energia do centro de massa foi limitada a 546 GeV devido ao aquecimento resistivo das bobinas magnéticas. A adição de mais resfriamento permitiu que a energia da máquina fosse aumentada para 630 GeV em 1984.
Obtenção de colisões a 900 GeV
Quando operado como um acelerador para experimentos de alvo fixo, o SPS pode acelerar um feixe a 450 GeV, antes que o feixe seja extraído em segundos (ou uma pequena fração de segundo quando usado para acelerar um feixe para injeção no LHC ). No entanto, quando operado como um colisor, o feixe deve ser armazenado na linha do feixe por horas e os ímãs dipolares do acelerador devem manter um campo magnético constante por mais tempo. Para evitar o superaquecimento dos ímãs, o Sp p S apenas aceleraria os feixes para uma energia de centro de massa de 315 GeV. No entanto, esse limite pode ser superado aumentando-se os ímãs entre 100 GeV e a capacidade máxima da máquina de 450 GeV. O Sp p S iria acelerar os feixes para 450 GeV, mantendo-os como esta energia por um tempo limitado pelo aquecimento dos ímãs, então desaceleraria os feixes para 100 GeV. O pulsar foi operado de forma que a dispersão média de potência nos imãs não ultrapassasse o nível de operação de 315 GeV. O Sp p S ocasionalmente funcionava com pulsação após 1985, obtendo colisões em um centro de energia de 900 GeV.
Descobertas e descobertas
O Sp p S iniciou sua operação em julho de 1981 e, em janeiro de 1983, foi anunciada a descoberta dos bósons W e Z pelos experimentos UA1 e UA2 . Carlo Rubbia , porta-voz do experimento UA1 , e Simon van der Meer receberam o Prêmio Nobel de Física de 1984 por, conforme declarado no comunicado do Comitê do Nobel , por "(...) sua contribuição decisiva para o grande projeto, que levou à descoberta das partículas de campo W e Z (...) ". O prêmio foi dado a Carlo Rubbia por sua "(...) ideia de converter um grande acelerador existente em um anel de armazenamento de prótons e antiprótons", ou seja, a concepção do Sp p S, e a Simon van der Meer por sua " (...) método engenhoso para empacotamento denso e armazenamento de prótons, agora aplicado para antiprótons ", ou seja, conceber a tecnologia que viabiliza o Acumulador de Antiprótons - resfriamento estocástico. A concepção, construção e operação do Sp p S foi considerada uma grande conquista técnica por si só.
Antes de o Sp p S ser comissionado, foi debatido se a máquina funcionaria ou se os efeitos do feixe de feixe nos feixes agrupados proibiriam uma operação com alta luminosidade. O Sp p S provou que o efeito do feixe de feixe em feixes agrupados pode ser dominado, e que os colisores de hadron eram ferramentas excelentes para experimentos em física de partículas. Nesse sentido, ele lançou as bases do LHC , o colisor de hadron de próxima geração no CERN .
Veja também
- Super Proton Synchrotron
- Lista de experimentos de Super Proton Synchrotron
- Experimento UA1
- Experimento UA2
- Resfriamento estocástico
- Bósons W e Z
Referências
links externos
- Mídia relacionada ao Super Proton – Antiproton Synchrotron no Wikimedia Commons
- "As partículas W e Z: uma recordação pessoal" pelo porta-voz da UA2, Pierre Darriulat
- Di Lella, Luigi; Rubbia, Carlo (2015) "A descoberta das partículas W e Z" em 60 anos de experimentos e descobertas do CERN . Servidor de documentos CERN: World Scientific
- Schmidt, Rudiger (2017) "O colisor próton-antipróton do CERN SPS" em Desafios e metas para aceleradores no século XXI . World Scientific