Síncrotron Super Próton-Antipróton - Super Proton–Antiproton Synchrotron

Hadron colliders
SppbarS schematics.png
Esquema do complexo Sp p S
Anéis de armazenamento que se cruzam CERN , 1971-1984
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
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

Simon van der Meer na sala de controle do acumulador de antiprótons , 1984

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.

Visão geral do acumulador antipróton (AA) no CERN

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

Conferência de imprensa em 25 de janeiro de 1983, quando foi feito o anúncio da descoberta do bóson W no CERN . Da direita para a esquerda: Carlo Rubbia , porta-voz do experimento UA1 ; Simon van der Meer , responsável pelo desenvolvimento da técnica de resfriamento estocástico ; Herwig Schopper , Diretor-Geral do CERN; Erwin Gabathuler , Diretor de Pesquisa do CERN, e Pierre Darriulat , porta-voz do experimento UA2.

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

Referências

links externos