Цивилизация
###1###28 лет успеха
История Тэватрона началась в 1983 году, когда в США, в лаборатории имени Энрико Ферми в городке Батавия (штата Иллинойс) был построен мощнейший ускоритель. 1 октября 1983 года стартовала первая научная программа Тэватрона. Тогда он еще не был коллайдером — то есть ученые исследовали столкновение пучка частиц с неподвижной мишенью. Тогда на Тэватроне было пять экспериментов (то есть детекторов). Первый пучок частиц, пущенный в ускоритель, имел энергию 512 ГэВ, но уже в 1984 году энергия пучка была доведена до 800 ГэВ. В 1985 году Тэватрон перешел в режим коллайдера, то есть начал сталкивать между собой элементарные частицы — протоны и антипротоны. Для этого был смонтирован источник антипротонов.
Тэватрон стал первым ускорителем, энергия частиц в котором приближалась к гигантской величине в 1 ТэВ (отсюда и произошло его название). В момент постройки он стоил $129 млн (на сегодняшние деньги это уже $265 млн).
В том же 1986 году энергия пучка протонов была доведена до 900 ГэВ и были проведены первые столкновения частиц на суммарной энергии в 1,8 ТэВ, зарегистрированные экспериментом CDF. В 1992 году был введен в строй второй детектор, наблюдающий столкновения частиц, — D0. Энергия Тэватрона была увеличена в ходе самого значительного этапа модернизации ускорителя — строительства главного инжектора в 1994—1999 годах, стоившего $290 млн (сегодня — $369 млн).
В 1986 году Тэватрон был внесен в список десяти самых выдающихся инженерных достижений XX века.
Комплекс ускоритель Лаборатории им. Энрико Ферми//final.gov
Ускорение частиц в Тэватроне проходит в несколько стадий. Первая стадия — это «предускоритель» Кокрофта — Уолтона, имеющий энергию 750 кэВ. В нем газообразный водород ионизируется, и созданные анионы разгоняются в положительном поле. Затем ионы проходят через 150-метровый линейный ускоритель, который использует переменное электрическое поле для разгона ионов до 400 МэВ. Затем ионы проходят через графитовую мишень, очищаясь от электронов. «Голые» протоны оказываются в так называемом бустере.
Бустер — это кольцевой ускоритель. Протоны пролетают около 20 000 кругов в этом ускорителе и приобретают энергию около 8 ГэВ. Из бустера частицы поступают в главный инжектор, выполняющий несколько задач. Он ускоряет протоны до энергии 150 ГэВ, производит протоны энергии 120 ГэВ для рождения антипротонов и ускоряет антипротоны также до 150 ГэВ. Последняя его задача — инжекция протонов и антипротонов в главное ускорительное кольцо Тэватрона. Антипротоны рождаются в так называемом антипротонном источнике, где протоны энергии 120 ГэВ бомбардируют неподвижную никелевую мишень. В результате рождается огромное число частиц разных типов, включая антипротоны, которые накапливаются и охлаждаются в накопительном кольце. Затем антипротоны инжектируются в главный инжектор для ускорения.
Тэватрон ускоряет протоны и антипротоны до энергии 980 ГэВ и сталкивает их между собой (поэтому он и является коллайдером).
Чтобы удержать частицы в канале ускорителя, используется 774 ниобиево-титановых сверхпроводящих дипольных магнитов, охлажденных до температуры жидкого гелия.
Магниты создают магнитное поле напряженностью 4,2 Тесла. Для фокусировки пучка используются еще 240 квадрупольных магнитов. Протоны и антипротоны ускоряются в противоположных направлениях и пересекаются в двух точках, там, где в туннеле Тэватрона установлены два независимых различных по конструкции детектора — CDF и D0. На них работают две коллаборации, анализирующие данные.
Изначально светимость Тэватрона (величина, характеризующая число взаимодействий между протонами и антипротонами) составляла 1030 см−2 с−1, в процессе модернизации она была увеличена до 3x1032 см−2 с−1.
Сенсоры на подземных магнитах Тэватрона способны регистрировать самые незначительные сейсмические колебания, вызванные землетрясениями, произошедшими за тысячи километров от Батавии.
Тэватрон регистрировал пики колебаний, последовавшие за землетрясением 2004 года в Индийском океане, вызвавшем разрушительные цунами, землетрясением 2005 года на Суматре, землетрясениями 2010 года на Гаити и в Чили.+++
###2###Дописать «таблицу Менделеева»
Важнейшая заслуга экспериментов коллайдера Тэватрон — это открытие последних частиц, предсказанных современной теорией физики элементарных частиц — Стандартной моделью.
В 1995 году коллаборации CDF и D0 выступили с совместным заявлением об открытии топ-кварка — самой тяжелой элементарной частицы и последнего кварка, предсказываемого Стандартной моделью.
К 2007 году масса топ-кварка была измерена с точностью до 1%; были изучены более 20 различных характеристик этой загадочной частицы.
В 1996 году был открыт Bc-мезон — последний недостающий «кирпичик» в парах «кварк — антикварк» Стандартной модели.
В 2000 году эксперимент DONuT сообщил о первом прямом наблюдении тау-нейтрино, последнего из трех типов нейтрино, предсказанных Стандартной моделью. Таким образом, «периодическая система» элементарных частиц была завершена на Тэватроне, это важнейшая заслуга научного коллектива ускорителя.
В 2006 году коллаборация CDF провела первые прецизионные измерения осцилляций в системе Bs-мезонов и показала, что переходы «материя — антиматерия» в этой паре частиц происходят с фантастически высокой частотой — 3 трлн раз в секунду. Это измерение показало, что существование частиц с массой выше, чем у топ-кварка, маловероятно, что впоследствии было подтверждено экспериментами на Большом адронном коллайдере.
В 2007 году D0 и CDF сообщили о наблюдении Ξ-b-бариона — уникального тяжелого бариона, родственника протона и нейтрона, состоящего из кварков всех трех поколений. В 2008 годy эксперимент D0 сообщил о наблюдении Ω-b — «двойного странного» омега-бариона. В мае 2009 года коллаборация CDF опубликовала данные о поиске Ω-b и показалa, что его масса (6,054.4±6,8 МэВ/c2 ) полностью соответствует предсказываемой Стандартной моделью.
С конца 2000-х годов на Тэватроне ведутся работы по поиску бозона Хиггса. Эта фундаментальная частица является, как предполагается, возбуждением «поля Хиггса», ответственного за существование массы у всех элементарных частиц. Поиск бозона Хиггса является одной из основных физических задач Тэватрона в течение последних трех лет.
В результате наших работ исключен диапазон масс 156—176 ГэВ, предполагаемая масса «божественной частицы» — 115—185 ГэВ.
Поиск бозона Хиггса активно продолжается на Тэватроне, особенно в области масс около 115 ГэВ, где его существование наиболее вероятно.+++
###3###Русский след
В создании ускорителя Тэватрона в прямом смысле этого слова российские ученые вовлечены не были, так в то время как у нас была своя школа — в Новосибирске, Серпухове и Дубне. Тогда, в начале 80-х годов, началось строительство ускорительно-накопительного комплекса (УНК) в Протвино, и все ученые этим были заняты. Но поскольку строительство УНК началось, то были необходимы отечественные кадры, которые имели опыт работы на аналогичных установках. Так я сам и ряд моих коллег попали на Тэватрон. Это было серьезное и правильное решение, что ведущие центры, включая Протвино, приняли участие в экспериментах в Фермилабе на ускорителе, который тоже в то время только запускался — в 1985—1987 годах. Я хорошо помню, что с политической точки зрения тогда не все было просто.
Уже когда была достигнута договоренность о работе, началось притеснение Сахарова, и американцы отказались от участия советских ученых. И только после начала перестройки активное сотрудничество продолжилось.
В Протвино мы создавали мюонные детекторы, их же мы сделали и для детектора D0. В России были созданы части детектора, в конце 80-х их привезли в США, смонтировали и запустили. Все шло по плану, мы поработали, получили опыт, но пришел 1991 год, распался СССР, финансирование упало, однако наша группа — около 20 человек — отстояла свою программу. В течение 90-х годов все шло довольно хорошо, мы продолжали работать, участвовали во всех работах, открытиях. После 1992 года к группе Института физики высоких энергий на Тэватроне стали присоединяться другие группы из России — уже было создано хорошее реноме советских физиков. В средине 90-х годов в связи с планами по модернизации D0 к работе подключились МГУ, ОИЯИ, Гатчина, ИТЭФ, и все эти группы стали принимать активное участие. В это время участие российских физиков составило до 10% коллаборации (сначала это были лишь несколько процентов). И к 2001 году, когда Тэватрон во второй раз начал работу после модернизации, группы российских физиков отвечали почти за все элементы установки, то есть вклад был заметно больше, чем при первом пуске.
С тех пор, конечно, российские физики — около 60—70 человек — принимали участие во всех областях жизни эксперимента, включая участие в сменах и поддержку аппаратуры, большая часть которой была создана в России, собрана в России и привезена в Фермилаб — это часть установки размером с четырехэтажный дом. Российские физики принимали участие в развитии алгоритмов, которые нужны для анализа данных, а также в интерпретации данных и публикации статей.
Вначале мы входили в Тэватрон как участники со стороны той или иной российской группы.
Во втором сеансе Тэватрона (после масштабной модернизации) оказалось очень много российских физиков «из-за рубежа», представлявших американские и европейские исследовательские группы.
Хотя основное ядро из России существует, в эксперименте D0 работают около 30—40 человек, которые получили образование и опыт в России, но сейчас работают в немецких, французских, английских или американских вузах. И здесь нужно отдать должное нашему образованию, которое позволяет растить талантливых ученых.+++
###4###Что дальше?
Коллаборации Тэватрона не завершают свою работу: анализ и обработка собранных данных займут еще несколько лет. Более того,
возможно, главные открытия ускорителя увидят свет уже после официального выключения Тэватрона.
Главное кольцо Тэватрона, возможно, будет перестроено для новых экспериментов, а компоненты оборудования будут переданы в другие лаборатории с ускорителями элементарных частиц.+++