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兆电子伏特加速器

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兆电子伏特加速器
兆电子伏特加速器

兆电子伏特加速器(英语:Tevatron),又译为正负质子对撞机,是一座圆形粒子加速器(或称同步回旋加速器(synchrotron)),设在美国伊利诺伊州巴达维亚费米实验室。兆电子伏特加速器曾为世界上运行能量最高的粒子对撞机[1]。兆电子伏特加速器将质子反质子于6.3公里的环中加速,使其能量达到1TeV=1012eV,电子伏特。兆电子伏特加速器始建于1983年8月,总花费为1.2亿美金[2] ,以后定期升级。“主注射器”(Main Injector)是其中最重要的增建物,自1994年起花了超过五年时间建造,总花费2.9亿美金。由于美国能源部所提供经费的缩减[3],以及随着欧洲大型强子对撞机的于2009年底正式开始运作,并于2010年三月超越兆电子伏特加速器成为世界上运行能量最高的对撞机(大型强子对撞机能够产生能量高达7TeV的粒子束),兆电子伏特加速器最终于2011年9月30日关闭[2]。兆电子伏特加速器的部分元件可能被转移至其他的粒子加速器上,但兆电子伏特加速器的主注射器仍可能于未来的实验中被重新启用。

兆电子伏特加速器的6.28公里长的圆形加速器轨道可以将粒子加速到光速的99.99999954%[2]

主要构造及加速过程

为了产生足够高能的质子束与反质子束以模拟宇宙早期的环境,兆电子伏特加速器的加速器分为许多的部分分阶段各司其职的进行加速。

  1. 考克饶夫-瓦尔顿产生器英语Cockcroft–Walton generator(Cockcroft–Walton generator):兆电子伏特加速器首先必须要产生出质子束。加速器中的质子束是来自于氢负离子。 考克饶夫-瓦尔顿产生器即是负责进行初步加速氢负离子至能量约74万电子伏特。
  2. 直线加速器(LINAC):这是个长500英尺的直线管道,其内部有电场,可以将离开考克饶夫-瓦尔顿产生器的氢负离子进行近一步的加速至能量约4亿电子伏特,即光速的70%。
  3. 助推器(booster):助推器不同于直线加速器,其是一个圆形的加速轨道。当氢负离子进入助推器之后,氢负离子会因为助推器管道内部放置有碳薄膜而将其电子吸附住,形成质子束。同时,此一质子束也会在绕行约20000次助推器圆形轨道时达到总能量约80亿电子伏特。
  4. 主注射器(main injector):接着,质子束会被送至主注射器。在主注射器这主要有三个功能: 其一,主注射器负责将一部分的质子束送去产生反质子束; 其二,主注射器负责再加速质子束与反质子束; 其三,主注射器负责将质子束与反质子束送至兆电子伏特加速器主环,亦即主撞击区。主注射器可以说是兆电子伏特加速器的控制中心,负责控制个个粒子束的走向。
  5. 定标靶源(fixed target area):一部分的质子束会从主注射器送至此产生反质子。此处的管道内放置著靶,当高能质子束撞击这些固定的镍靶时,会产生许多的次原子粒子,其中即包含一部分的反质子。此处质子束与镍原子撞击约一秒一亿次,但每秒约只产生二十个反质子。接着这些次原子粒子与反质子会在管道内被筛选,反质子会被送去另一个反质子储存器内储存并冷却,待达到一定的数量后,再送回位于主注射器下方的回收器。
  6. 回收器(recycler):在回收器内,反质子会继续累积且冷却反质子。冷却反质子可以使其更好被控制且加速。
  7. 兆电子伏特加速器主环:待质子束与反质子束数量累积到一定且达到一定的能量后,即会从主注射器被送往兆电子伏特加速器主环。在主环的两个不同位置设有两个约三至四层楼的侦测器,即CDF与DZero。质子束与反质子束会在这两个侦测器内部以接近光速互相撞击,一秒约可发生高达两百万次的撞击。撞击后产生的粒子残骸会由这两个侦测器记录这些其轨迹动量能量,进而借由这些资讯判别这些粒子残骸为哪些次原子粒子,亦可借由质能等价进一步判断是否有新粒子产生。但由于一秒钟撞击次数实在过于庞大,如此大笔资料不会一一储存,兆电子伏特加速器仅会将值得注意或新奇事件纪录下来,每秒钟约四百笔。

圆形轨道加速器原理

因为带电粒子在磁场内运动会受到劳仑兹力,因此可以借由在圆形轨道内施加磁场而使质子束与反质子束维持在圆形轨道内。粒子所行进的轨道半径与其质量、电性与所处磁场量值关系为

由于轨道半径与粒子的动量有关,因此,若是想要维持高能的质子束与高能的反质子束于圆形轨道内,必须要施以一定高强度的磁场才行。 在兆电子伏特加速器中,为了产生如此强大的磁场,会在粒子束行进的轨道外放置超导体。借由冷却至约摄氏负272.78度(仅高于绝对零度0.37度),此时超导体内的电阻会变成零,如此可以产生高强度的电流,也可产生足够高强度的磁场以限制质子与反质子这类带电粒子于圆形轨道内。

侦测器原理

兆电子伏特加速器中,在不同的位置设置了两个利用不同原理进行量测的侦测器,分别为CDF与DZero。

CDF

1994年4月14日,CDF研究团队团体照。
1994年4月14日,CDF研究团队团体照。

CDF是个约四层楼高的建筑,内部有约一百万个侦测子系统可以用来侦测质子束碰撞时产生的遗骸。其侦测系统大致可以分为四层:

1.硅侦测层: 侦测层共由七层的硅薄膜紧贴质子束与反质子束行进的管道构成,硅侦测层的外层与内层会通以偏电压,且整个硅侦测层位于磁场内。当质子束与反质子束相互撞击时,产生的次原子粒子会朝外射向硅侦测层。这些次原子粒子当中有部分是带电性的粒子,当其穿透硅侦测层时,会与硅原子撞击进而游离这些硅原子。这些被游离的电子接着会因为偏电压的关系而被吸引至硅侦测层表面,并被表面的电子装置记录下来位置而得到轨迹。由于磁场的存在,带电粒子在硅侦测层的运动也并非直线,因此将侦测得的位置连得一条线,便可借由此曲线以计算此带电粒子之质量与速度为何。

但值得注意的是,因质子与反质子碰撞产生的中性粒子并不会在此曾被记录下来,因为他们根本不会游离硅原子。

贡献

1992年2月14日,D0研究团队团体照。
1992年2月14日,D0研究团队团体照。

兆电子伏特加速器的主要成就是于1995年时发现了粒子物理学标准模型中所预测的最后一个基本费米子。2012年2月时,CDF、DØ粒子对撞实验团队的科学家们在费米国立加速器实验室宣布他们从2001年以来兆电子伏特电子加速器的大约五千亿笔资料的分析中,发现希格斯玻色子的存在性是极为可能的,而这存在性只有1/550的几率是由于统计上的误差所造成的误判。两天后,由大型强子对撞机的实验确认了兆电子伏特加速器的实验数据,其中,两者的实验误差仅少于一百万分之一。

另外,科学家通过兆电子伏特加速器发现顶夸克τ中微子,并且精确测量了W玻色子的质量[2]

参考文献

外部链接

参见


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