Tevatron

Tevatron, Amerika Birleşik Devletleri'nin Chicago şehrinin doğusundaki Fermilab'da (Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı) bulunan dairesel bir parçacık hızlandırıcısıdır. 2011 yılına kadar, kendisine 150 GeV olarak yollanan proton ve antiprotonları hızlandırıp, 1.96 TeV kütle merkezi enerjisinde 2 ayrı noktada çarpıştırmaktaydı. Bu özellik onu 2010'da CERN'deki LHC hızlandırıcısı devreye girinceye kadar dünyadaki en yüksek enerjili çarpıştırıcı yapmıştı. Yapımı $120 milyona yakın tutan Tevatron 1983 yılında tamamen bitirildi. Üzerine 1983-2011 yılları arasında büyük miktarlarda yatırımlar yapıldı.

Tevatron'un temel başarısı 1995 yılında üst kuarkların keşfedilmesi üzerine oldu. Bu üst kuarklar parçacık fiziğinin standart modelinde ön görülmüştü. 2 Temmuz 2012 yılında Fermilab'ın CDF ve DØ çarpıştırıcı deney takımı 2001 yılından bu yana yapılan 500 trilyon çarpışmasını analizinin sonuçlarını duyurdu. Varlığına şüpheyle bakılan Higgs bozonu bu araştırma sonuçlarında 550 de bir oranında istatistiksel varlık tespit edilidi. Bulgulardan 2 gün sonra bu saptamanın milyonda bir hata oranına sahip olduğu LHC deneylerinden de doğrulandı.

2011 Eylül ayında Tevatron tamamen durduruldu. Sebep olaraksa bütçe kesintiler ve yapımı 2010'un başlarında biten daha güçlü bir altyapıya sahip olan LHC'nin bitirilmesi gösterildi. Tevatron'un ana halkası büyük ihtimal gelecekteki deneylerde kullanılmak üzere kaldırıldı ve diğer parçaları başka parçacık hızlandırıcılara transfer edildi.

1 Aralık 1968 yılı lineer hızlandırıcılar (linac) için çok önemli bir gündü. Ana Hızlandırıcı Kasası 3 EKim 1969 yılında Robert R. Wilson tarafından başladı. Bu 6.4 km uzunluktaki çember Fermilab'ın Ana Halkasını oluşturacaktı. Linac ilk 200meV değerinde ışını 1 Aralık 1970 üretti. İlk hızlandırıcı 9 GeV değerinde ışını 20 Mayıs 1971 de üretti. 30 Haziran 1971 yılında bir proton ışını Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarının bütün hızlandırıcı altyapısına bu kadar büyük bir katkıda bulundu. Bu ışın sadece 7Gev değerinde hızlandırılmıştı.

Booster Hızlandırıcı 200 MeV değerindeki protonları 8 bilyon değerinde elektron voltlara çıkarabiliyordu. Ardından bu ana hızlandırıcıya geçiriliyordu.

Milistone serilerinde görülen ivme değeri Ocak 22 1972 de 20 GeV değerine, Şubat 4'te 53 GeV ve Şubat 11 de 100 GeV değerine ulaştı. 1 Mary 1972 de ilk defa NAL hızlandırıcı sistemi bir proton ışınını 200 GeV değerine ulaştırdı. 1973'ün sonuna doğru NAL hızlandırıcı sistemi rutin olarak 300 GeV değerini sistemlerinde kullanabiliyor haline geldi.

14 Mayıs 1976 Yılında Fermilab bütün protonları 500 GeV değerine ulaştırabildi. Bu başarı yeni enerji skalasını ortaya çıkardı, teraelectronvolt (TeV) değerine karşılık 1000 GeV. O yılın Haziran ayında Avrupa Super Proton Synchrotron sadece 400 GeV değerine ulaşabilmişti. Ana Halka'nın klasik mıknatısı süperiletken mıknaıtısını üretebilmek için 1981 yılında kapatıldı. Ana Enjektör 2000 yılında bitirilene kadar Ana Halka Tevatron için bir enjektör görevi gördü. Ardından Enerji Katlayıcı ilk hızlandırılmış 512 GeV değerinde ışını 3 Temmuz 1983 yılında üretti. 800 GeV değerindeki başlangıç enerjisine 16 Şubat 1984 yılında ulaşıldı. 21 Ekim 1986 da Tevatron bu değeri 900 GeV değerine kadar 1.8 TeV değerindeki proton-antiproton çarpışmalarını kullanarak ulaştırdı.

Ana Enjektör 1993 dan 6 yıl kadar bir süre ve $290 milyon harcama ile Ana Halka yerine konuldu. Gerekli kontrol ve geliştirmelerden sonra Tevatron çarpıştırıcısı Run II 1 Mart 2001 yılında başlatıldı. Bu zamandan sonra Tevatron artık 980 GeV değerindeki enerji seviyelerini transfer edebiliyoru. 16 Temmuz 2004 yılında Tevatron yeni bir zirve yakaladı ve CERN 'deki ilgili laboratuvarı geri de bırakarak bir rekora imza attı. Bu rekor 9 Eylül 2006 yılında ikiye katlandı. Ardından 17 Mart 2008 yılında neredeyse üç katına çıktı. 16 Nisan 2010 yılında bu değer 2004 yılındaki ulaşılan değerin 4 katının üzerine çıktı (4×10³² cm⁻² s⁻¹'ye kadar). Tevatron 30 Eylül 2011 yılında operasyonları durdurdu. 2011 Yılının Sonuna doğru CERN deki Geniş Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) yeni bir zirveye ulaşarak Tevatron'un başarısını neredeyse 10'a katladı ve 3.5 TeV değerinde enerji ışınları üretti.

İvmelendirme sistemi birkaç aşamadan oluşuyor. İlk aşama da 7eV Cockcroft-Walton ön hızlandırıcısı bulunuyor ve ionize hidrojen gazı negatif iyonları positif voltajı kullanarak hızlandırıyor. Bunun ardından iyonlar 150 metre uzunluğunda lineer hızlandırıcıya (linac) geçiyor. Bu hızlandırıcı titreşen elektriksel alanı iyonları 400 MeV değerinde hızlandırıyor. İyonlar ardından elektronlardan kurtulması için karbon folyonun üzerinden geçiriliyor ve yüklü protonlar Booster'a geçiyor.

Booster küçük çembersel synchrotrondan oluşuyor ve protonlar 20.000 defa üzerinden geçerek 8 GeV civarında bir enerjiye ulaşıyorlar. Booster'dan sonra parçacıklar Ana Enjektöre geçiyor. 1999 yılında tamamlanan bu enjektör birkaç aşamalı işlem izliyor. Sırasıyla; protonları 150 GeV'ye kadar ivmelendiriyor; antiproton oluşumu için 120 GeV'lik protonlar üretiyor; antiprotonların enerjisini 150 GeV değerine çıkartıyor ardından protonları veya antiprotonları Tevatron'a naklediyor. Antiprotonlar Antiproton Kaynağı tarafından üretiliyor. 120 GeV protonlar bir nikel hedef ile çarpıştırılıyor. Bu çarpışmanın sonucunda bir dizi antiproton içeren parçacık oluşuyor. Bu parçacıklar akümülatör içerisinde toplanıyor ve saklanıyor. Ardından bu halka antiprotonları Ana Enjektör'e geçirebiliyor.

Tevatron Ana Enjektörden gelen parçacıkları 980 GeV değerine kadar ivmelendirebiliyor. Proton ve antiprotonlar zıt yönlendirde ivlemendirilip CDF ve DØ dedektörlerinin içerisindeki geçitte 1.96 TeV değerinde çarpışıyor. Parçacıkları yol üzerinde tutabilmek için Tevatron 774 niobium-titanium süper iletken dipol mıknatısı kullanıyor. Bu mıktanıs 4.2 tesla üreten sıvı helyumun içerisinde soğutuluyor. Manyetik alan yaklaşık 20 saniye içinde maksimum değerine çıkarken aynı zamanda parçacıkları ivlemendirir. Bir başka 240 NbTi Quadrupole mıknatıs bu ışına odaklanmak için kullanılıyor.

Tevatron'un başlangıçta tasarlanan ışının değeri 10³⁰ cm⁻² s⁻¹ dı, fakat, hızlandırıcıda yapılan değişikler sonucu ışınlar 4×10³² cm⁻² s⁻¹ değerine kadar ulaşabildi.

27 Eylül 1993 yılında "American Society of Mechanical Engineers" Tevatron'un kriyojenik soğutma sistemine "International Historic Landmark" adını verdi. Tevatron'un süperiletken mıknatısları için tasarlanmış kriyojenik sıvı helyum aşırı düşük sıcaklıklarda bulunuyordu. Bu sistem parçacık ışınlarını büken ve odaklamaya yarayan mıknatıs bobinlerini süper iletken durumda tutuyordu. Böylece sıcaklığı dengede tutmak için gereken güçten 3 kat daha az bir güç harcamış oluyordu.

Tevatron teorik parçacık fiziğinde ön görülen birçok atomaltı parçacığın varlığını kanıtladı veya kanıtlanması için temel sağladı. 1995 yılında CDF ve DØ deneyleri üst kuarkların keşfini duyurdu ve 2007 de kütlesinin %1'i kadar olduğu ölçüldü. 2006 da CDF işbirliği B_s titreşimlerini ilk defa ölçtü ve iki tür sigma baryon gözlemledi. 2007 de DØ ve CDF işbirlikleri "Cascade B" (
Ξ-
b) Ksi baryonunun ilk defa direkt olarak gözlemlediğini duyurdu.

Eylül 2008 de, DØ işbirliği
Ω-
b, a "double strange" Omega baryon'u buldu ve bunun kütlesinin quark modelinde ön görülenden önemli bir derecede daha fazla olduğunun farkına vardı. 2009 Mayıs ayında CDF işbirliği
Ω-
b üzerine olan araştırmalarının elde ettiği sonuçları halka açtı. CDF deneyinden elde edilen kütle ölçümleri 6054,4±6,8 MeV/c² ve bu değer Standart model ile mükemmel bir uyum gösteriyordu. Fakat önceki DØ deneyindeki sonuçlarında hiçbir sinyal gözlenmemişti. DØ ve CDF'den elde edilen bu iki tutarsız sonuç 6.2 değerinde standart sapmaya sahipti. CDF tarafından ölçülen kütlenin ve teorik beklentilerin arasında oldukça iyi bir uyum olduğu için bu güçlü bulgu CDF tarafından keşfedilen parçacığın
Ω-
b olduğu yönünde karar alınmasını sağladı. Bu da LHC deneylerinden gelen yeni veriler için bazı durumları ileride açıklayan bir bulgu olacaktı.

2 Haziran 2012 tarihinde bilim insanları Tevatrondaki 500 trilyon çarpışma sonucundaki sonucunda elde edilen verileri duyurdu. Bu sonuçlardan biri de Higgs bozonuydu. Tartışmalı olan higgs bozonunun 115 ile 135 GeV kısımları arasında bir kütlesi vardı. Gözlenen sinyallerin istatistiksel önemi ise 2.9 sigmaydı. Bu da 550 de bir bir olasılığa olduğunu gösteriyordu. Fakat Tevatron'un son araştırmaları hala Higgs parçacağının var olup olmadığını kanıtlayamadı. 4 Haziran 2012'de LHC'den bilim adamları bu konuyla alakalı daha kesin verilere ulaştığını duyurdu; kütlesi 125.3 ± 0.4 (CMS)[24] or 126 ± 0.4 (ATLAS) arasında değişen bir değere sahipti. LHC ve Tevatron tarafından sunulan bu güçlü kanıtlar Higgs bozonunun bu kütleler arasında bir değere sahip olacağını ortaya koydu.

Depremler çok uzakta gerçekleşse bile ışınların kalitesini ve yönünü etkileyecek kadar mıknatıslar üzerinde güçlü hareketlenmelere sebebiyet vermektedir. Bu yüzden tiltmeterlar Tevatron'un mıknatıslarını model almış ve dalgalanmaları dakikalık olarak monitöre yansıtarak problemin kaynağını önceden yardımcı olmasını sağlıyorlar. Bu ışınlarda sapmaya yol açan ilk deprem 2002 Denali depremiydi. 28 Haziran 2004'te gerçekleşen orta dereceli bir deprem başka bir çarpıştırıcının kapatılmasına yol açtı. O zamandan beri 20 depremden kaynaklanan dakikalık sismik titreşimler Tevatron tarafından kapatılmaya sebebiyet vermeden algılanabildi. Bunlara örnek olarak 2004 Hint Okyanusu depremi, 2005 Sumatra depremi, 2007 Gisborne depremi, 2010 Haiti depremi ve 2010 Şili depremi örnek verilebilir.