تيفاترون

كان تيفاترون مُسرِّع جسيمات دائريًا (ظلّ يعمل حتى عام 2011) في الولايات المتحدة ، في مختبر فيرمي الوطني للمُسرِّعات (المعروف باسم فيرميلاب ) ، شرق باتافيا، إلينوي ، وكان أعلى مُصادم جسيمات طاقةً حتى بناء مصادم الهادرونات الكبير (LHC) التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (سيرن) بالقرب من جنيف، سويسرا . كان تيفاترون مُسرِّعًا سنكروترونيًا يُسرِّع البروتونات والبروتونات المضادة في حلقة محيطها 6.28 كيلومتر (3.90 ميل) إلى طاقات تصل إلى 1 تيرا إلكترون فولت ، ومن هنا جاء اسمه. ^{[ 1 ] [ 2 ]} اكتمل بناء تيفاترون في عام 1983 بتكلفة 120 مليون دولار، وتمّ استثمار مبالغ كبيرة في تحديثه خلال سنوات تشغيله من 1983 إلى 2011.  

كان الإنجاز الرئيسي لمصادم تيفاترون هو اكتشاف الكوارك العلوي عام 1995 ، وهو آخر فرميون أساسي تنبأ به النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. في 2 يوليو 2012، أعلن علماء من فريقي تجارب مصادمات CDF و DØ في مختبر فيرميلاب نتائج تحليل ما يقارب 500 تريليون تصادم أُجريت من مصادم تيفاترون منذ عام 2001، ووجدوا أن وجود بوزون هيغز المشتبه به كان مرجحًا للغاية بنسبة ثقة بلغت 99.8%، ^{[ 3 ]} ثم تحسنت هذه النسبة لاحقًا إلى أكثر من 99.9%. ^{[ 4 ]}

توقف مصادم تيفاترون عن العمل في 30 سبتمبر 2011، نتيجةً لتخفيضات الميزانية ^{[ 5 ]} ولإتمام بناء مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، الذي بدأ العمل في أوائل عام 2010 وهو أكثر قوةً بكثير (كانت الطاقات المخطط لها شعاعين بقوة 7 تيرا إلكترون فولت في مصادم الهادرونات الكبير مقارنةً بشعاع واحد بقوة 1 تيرا إلكترون فولت في مصادم تيفاترون). من المرجح أن يُعاد استخدام الحلقة الرئيسية لمصادم تيفاترون في تجارب مستقبلية، وقد تُنقل مكوناته إلى مسرعات جسيمات أخرى. ^{[ 6 ]}

في الأول من ديسمبر عام 1968، وُضع حجر الأساس للمُسرِّع الخطي (ليناك). وبدأ بناءُ غلاف المُسرِّع الرئيسي في الثالث من أكتوبر عام 1969، عندما قام روبرت ر. ويلسون ، مدير مختبر فيرمي الوطني، بحفر أول معول. وسيُصبح هذا الغلاف  فيما بعد الحلقة الرئيسية لمختبر فيرمي، والتي يبلغ محيطها 6.3 كيلومترات. ^{[ 1 ]}

بدأ تشغيل أول حزمة بروتونات بطاقة 200 ميغا إلكترون فولت في المعجل الخطي في 1 ديسمبر 1970. وأُنتجت  أول حزمة بروتونات بطاقة 8 غيغا إلكترون فولت في المعجل المعزز في 20 مايو 1971. وفي 30 يونيو 1971، وُجّهت حزمة بروتونات لأول مرة عبر نظام المعجلات الكامل في المختبر الوطني للمسرعات، بما في ذلك الحلقة الرئيسية. وسُرّعت الحزمة إلى 7 غيغا إلكترون فولت فقط. في ذلك الوقت، كان المعجل المعزز يستقبل بروتونات بطاقة 200 ميغا إلكترون فولت من المعجل الخطي ويرفع طاقتها إلى 8 مليارات إلكترون فولت، ثم يُحقنها في المعجل الرئيسي. ^{[ 1 ]}    

في العام نفسه الذي سبق اكتمال الحلقة الرئيسية، أدلى ويلسون بشهادته أمام اللجنة المشتركة للطاقة الذرية في 9 مارس 1971، مؤكدًا إمكانية تحقيق طاقة أعلى باستخدام المغناطيسات فائقة التوصيل . واقترح أيضًا إمكانية تحقيق ذلك باستخدام النفق نفسه المستخدم في الحلقة الرئيسية، على أن تُركّب المغناطيسات الجديدة في المواقع نفسها لتشغيلها بالتوازي مع المغناطيسات الموجودة في الحلقة الرئيسية. كانت هذه نقطة انطلاق مشروع تيفاترون. ^{[ 7 ]} وظل مشروع تيفاترون في مرحلة البحث والتطوير بين عامي 1973 و1979، بينما استمر تحسين التسارع في الحلقة الرئيسية. ^{[ 8 ]}

شهدت سلسلة من الإنجازات ارتفاعًا في التسارع إلى 20  جيجا إلكترون فولت في 22 يناير 1972، ثم إلى 53  جيجا إلكترون فولت في 4 فبراير، وأخيرًا إلى 100  جيجا إلكترون فولت في 11 فبراير. وفي 1 مارس 1972، قام نظام مسرعات المختبر الوطني للطيران (NAL) آنذاك بتسريع حزمة من البروتونات لأول مرة إلى طاقته التصميمية البالغة 200  جيجا إلكترون فولت. وبحلول نهاية عام 1973، كان نظام مسرعات المختبر الوطني للطيران يعمل بشكل روتيني عند 300  جيجا إلكترون فولت. ^{[ 1 ]}

في 14 مايو 1976، وصل مختبر فيرميلاب ببروتوناته إلى طاقة 500  جيجا إلكترون فولت. وقد أتاح هذا الإنجاز الفرصة لتقديم مقياس طاقة جديد، وهو التيرا إلكترون فولت (TeV)، الذي يساوي 1000 جيجا إلكترون فولت. وفي 17 يونيو من ذلك العام، حقق مسرع البروتونات السنكروتروني  الأوروبي الفائق (SPS) حزمة بروتونات دائرية أولية (بدون طاقة ترددات راديوية للتسريع) بطاقة 400 جيجا إلكترون فولت فقط. ^{[ 9 ]}

أُغلقت الحلقة الرئيسية للمغناطيس التقليدي عام 1981 لتركيب مغناطيسات فائقة التوصيل أسفلها. واستمرت الحلقة الرئيسية في العمل كحاقن لمسرع تيفاترون حتى اكتمل بناء الحاقن الرئيسي غرب الحلقة الرئيسية عام 2000. ^{[ 7 ]} أنتج "مضاعف الطاقة"، كما كان يُعرف آنذاك، أول حزمة مُسرّعة له - 512 جيجا إلكترون فولت - في 3 يوليو 1983. ^{[ 10 ]}

تم تحقيق طاقتها الأولية البالغة 800  جيجا إلكترون فولت في 16 فبراير 1984. وفي 21 أكتوبر 1986، تم دفع التسارع في تيفاترون إلى 900  جيجا إلكترون فولت، مما أدى إلى أول تصادم بروتون-مضاد بروتون عند 1.8  تيرا إلكترون فولت في 30 نوفمبر 1986. ^{[ 11 ]}

كان المحقن الرئيسي ، الذي حل محل الحلقة الرئيسية، ^{[ 12 ]} الإضافة الأهم، وقد بُني على مدى ست سنوات بدءًا من عام 1993 بتكلفة 290 مليون دولار. ^{[ 13 ]} بدأ تشغيل مصادم تيفاترون الثاني في 1 مارس 2001، بعد إتمام عملية التحديث بنجاح. ومنذ ذلك الحين، أصبح الشعاع قادرًا على توليد طاقة قدرها 980  جيجا إلكترون فولت. ^{[ 12 ]}

في 16 يوليو/تموز 2004، حقق مصادم تيفاترون ذروة إضاءة جديدة ، محطماً الرقم القياسي السابق الذي سجله مصادم حلقات التخزين المتقاطعة الأوروبي القديم (ISR) في سيرن. وتضاعف هذا الرقم القياسي نفسه في مختبر فيرميلاب في 9 سبتمبر/أيلول 2006، ثم تضاعف أكثر من ثلاث مرات في 17 مارس/آذار 2008، وأخيراً ضُرب بمعامل 4 فوق الرقم القياسي السابق لعام 2004 في 16 أبريل/نيسان 2010 (حتى 4 × 10⁴) .³²  سم ⁻² ث ⁻¹ ). ^{[ 11 ]}

توقف مصادم تيفاترون عن العمل في 30 سبتمبر 2011. وبحلول نهاية عام 2011، حقق مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في سيرن إضاءة أعلى بعشر مرات تقريبًا من إضاءة تيفاترون (عند 3.65 × 10).³³  سم ⁻² ث ⁻¹ ) وطاقة شعاع تبلغ 3.5 تيرا إلكترون فولت لكل منهما (يفعل ذلك منذ 18 مارس 2010)، أي ما يعادل 3.6 أضعاف قدرات جهاز تيفاترون (عند 0.98 تيرا إلكترون فولت).

حدث التسارع على عدة مراحل. تمثلت المرحلة الأولى في مُسرِّع كوكروفت-والتون الأولي ذي طاقة 750 كيلو إلكترون فولت، والذي قام بتأيين غاز الهيدروجين وتسريع الأيونات السالبة الناتجة باستخدام جهد موجب . ثم انتقلت الأيونات إلى المُسرِّع الخطي (linac) الذي يبلغ طوله 150 مترًا ، والذي استخدم مجالات كهربائية متذبذبة لتسريع الأيونات إلى طاقة 400 ميجا إلكترون فولت . بعد ذلك، مرت الأيونات عبر رقاقة كربونية لإزالة الإلكترونات ، ثم انتقلت البروتونات المشحونة إلى المُعزِّز . ^{[ 14 ]}

كان المُعزِّز عبارة عن مُسرِّع حلقي صغير، تدور حوله البروتونات حتى 20,000 مرة لتصل طاقتها إلى حوالي 8 جيجا إلكترون فولت . ومن المُعزِّز، تُغذَّى الجسيمات إلى الحاقن الرئيسي، الذي اكتمل بناؤه عام 1999 لأداء عدد من المهام. كان بإمكانه تسريع البروتونات حتى 150 جيجا إلكترون فولت؛ وإنتاج بروتونات بطاقة 120 جيجا إلكترون فولت لإنتاج البروتونات المضادة؛ وزيادة طاقة البروتونات المضادة إلى 150 جيجا إلكترون فولت؛ وحقن البروتونات أو البروتونات المضادة في جهاز تيفاترون. تُنتَج البروتونات المضادة بواسطة مصدر البروتونات المضادة . تُصطدم بروتونات بطاقة 120 جيجا إلكترون فولت بهدف من النيكل، مما يُنتج مجموعة من الجسيمات، بما في ذلك البروتونات المضادة التي يُمكن جمعها وتخزينها في حلقة المُراكم. ثم تُمرِّر الحلقة البروتونات المضادة إلى الحاقن الرئيسي.

كان بإمكان مسرع تيفاترون تسريع الجسيمات من المحقن الرئيسي حتى 980 جيجا إلكترون فولت. تسارعت البروتونات والبروتونات المضادة في اتجاهين متعاكسين، متقاطعة المسارات في كاشفي CDF و DØ لتصطدم عند 1.96 تيرا إلكترون فولت. وللحفاظ على مسار الجسيمات، استخدم تيفاترون 774 مغناطيسًا ثنائي القطب فائق التوصيل من النيوبيوم والتيتانيوم، مُبرّدًا بالهيليوم السائل، مما أنتج مجالًا مغناطيسيًا بقوة 4.2 تسلا . تزايد المجال تدريجيًا على مدى 20 ثانية تقريبًا مع تسارع الجسيمات. كما استُخدم 240 مغناطيسًا رباعي القطب من النيوبيوم والتيتانيوم لتركيز الحزمة. ^{[ 2 ]}

كان التصميم الأولي لمسرع تيفاترون 1030 ^سم −2 ^ث −1 ^، ولكن بعد التحديثات، أصبح المسرع قادرًا على توفير سطوع يصل إلى 4 × 10³²  سم ⁻² ث ⁻¹ . ^{[ 15 ]}

في 27 سبتمبر 1993، أعلنت الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين نظام التبريد المبرد لمسرع تيفاترون معلمًا تاريخيًا دوليًا . كان هذا النظام، الذي يزود مغناطيسات تيفاترون فائقة التوصيل بالهيليوم السائل المبرد، أكبر نظام تبريد منخفض الحرارة موجود آنذاك عند اكتماله عام 1978. وقد حافظ على ملفات المغناطيسات، التي تعمل على ثني وتركيز حزمة الجسيمات، في حالة فائقة التوصيل، بحيث استهلكت ثلث الطاقة التي كانت ستستهلكها في درجات الحرارة العادية فقط. ^{[ 8 ]}

أكد مصادم تيفاترون وجود العديد من الجسيمات دون الذرية التي تنبأت بها فيزياء الجسيمات النظرية ، أو قدمت مؤشرات على وجودها. في عام 1995، أعلن فريقا تجربة CDF وتجربة DØ عن اكتشاف كوارك القمة ، وبحلول عام 2007، قاسوا كتلته (172 جيجا إلكترون فولت) بدقة تقارب 1%. في عام 2006، أبلغ فريق CDF عن أول قياس لتذبذبات B _s ، ورصد نوعين من باريونات سيجما . ^{[ 16 ]} في عام 2007، أبلغ فريقا DØ وCDF عن رصد مباشر لباريون "كاسكيد B" ( Ξ ⁻ _b ) Xi . ^{[ 17 ]}

في سبتمبر 2008، أعلن فريق DØ عن اكتشاف Ω ⁻ _b ، وهو باريون أوميغا " غريب مزدوج " بكتلة مقاسة أعلى بكثير من تنبؤات نموذج الكواركات. ^{[ 18 ] [ 19 ]} وفي مايو 2009، نشر فريق CDF نتائج بحثه عن Ω ⁻ _b استنادًا إلى تحليل عينة بيانات أكبر بأربعة أضعاف تقريبًا من تلك التي استخدمتها تجربة DØ. ^{[ 20 ]} وكانت قياسات الكتلة من تجربة CDF6054.4 ± 6.8 ميغا إلكترون فولت / ثانية² ،  وهو ما يتوافق تمامًا مع تنبؤات النموذج القياسي، ولم تُلاحظ أي إشارة عند القيمة المُبلغ عنها سابقًا من تجربة DØ. تختلف النتيجتان غير المتسقتين من DØ وCDF ^بمقدار١١١ ± ١٨  ميغا إلكترون فولت/ ثانية ، أو ^بفارق ٦.٢ انحراف معياري. ونظرًا للتوافق الممتاز بين الكتلة المقاسة بواسطة تجربة CDF والتوقع النظري، يُعدّ هذا مؤشرًا قويًا على أن الجسيم المكتشف بواسطة CDF هو بالفعل Ω ⁻ _b . ومن المتوقع أن تُسهم البيانات الجديدة من تجارب مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في توضيح الوضع في المستقبل القريب.

في الثاني من يوليو/تموز 2012، قبل يومين من الإعلان المقرر في مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، أعلن علماء من تعاوني CDF وDØ في مصادم تيفاترون عن نتائج تحليلهم لحوالي 500 تريليون تصادم منذ عام 2001: فقد وجدوا أن وجود بوزون هيغز مرجح بكتلة تتراوح بين 115 و135 جيجا إلكترون فولت. ^{[ 21 ] [ 22 ]} بلغت الدلالة الإحصائية للإشارات المرصودة 2.9 سيجما، ما يعني أن احتمال ظهور إشارة بهذا الحجم لا يتجاوز 1 من 550 في حال عدم وجود جسيم بهذه الخصائص. مع ذلك، لم يحسم التحليل النهائي لبيانات تيفاترون مسألة وجود جسيم هيغز من عدمه. ^{[ 3 ] [ 23 ]} فقط عندما أعلن العلماء من مصادم الهادرونات الكبير عن نتائج LHC الأكثر دقة في 4 يوليو 2012، بكتلة 125.3 ± 0.4 جيجا إلكترون فولت ( CMS ) ^{[ 24 ]} أو 126 ± 0.4 جيجا إلكترون فولت ( ATLAS ) ^{[ 25 ]} على التوالي، كان هناك دليل قوي من خلال القياسات المتسقة بواسطة LHC و Tevatron على وجود جسيم هيغز في نطاق الكتلة هذا.

حتى من على بُعد آلاف الأميال، تسببت الزلازل في حركات قوية كافية في المغناطيسات للتأثير سلبًا على جودة حزم الجسيمات، بل وتعطيلها. لذلك، تم تركيب أجهزة قياس الميل على مغناطيسات تيفاترون لرصد الحركات الدقيقة والمساعدة في تحديد سبب المشاكل بسرعة. كان زلزال دينالي عام 2002 أول زلزال معروف تسبب في تعطيل الحزمة ، مع توقف آخر للمصادم بسبب زلزال محلي متوسط ​​الشدة في 28 يونيو 2004. ^{[ 26 ]} منذ ذلك الحين، تم رصد الاهتزازات الزلزالية الدقيقة الناجمة عن أكثر من 20 زلزالًا في تيفاترون دون توقف، بما في ذلك زلزال المحيط الهندي عام 2004 ، وزلزال نياس-سيميلوي عام 2005 ، وزلزال جيزبورن في نيوزيلندا عام 2007 ، وزلزال هايتي عام 2010 ، وزلزال تشيلي عام 2010. ^{[ 27 ]}

• بيفاترون
• مصادم الهادرونات الكبير
• مصادم فائق التوصيل
• الأشعة الكونية فائقة الطاقة
• مصادم الأيونات الثقيلة النسبية

• فاليري ليبيديف، فلاديمير شيلتسيف (محرران). (2014). فيزياء المسرعات في مصادم تيفاترون . تسريع الجسيمات وكشفها. سبرينغر. Bibcode : 2014aptc.book.....L . doi : 10.1007/978-1-4939-0885-1 . ISBN 978-1-4939-0884-4.

• الوسائط المتعلقة بـ Tevatron على ويكيميديا ​​كومنز
• حالة تيفاترون المباشرة
• صفحة مختبر فيرمي الخاصة بجهاز تيفاترون – مع مكونات مُصنّفة
• البحث عن هيغز في تيفاترون
• التفاصيل الفنية للمسرعات

41°49′55″ شمالاً 88°15′07″ غرباً / 41.832° شمالاً 88.252° غرباً / 41.832؛ -88.252