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テバトロンは、米国イリノイ州バタビアの東にあるフェルミ国立加速器研究所（フェルミラボと呼ばれる）にあった円形粒子加速器（2011年まで稼働）で、スイスのジュネーブ近郊に欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が建設されるまで、最高エネルギーの粒子衝突装置でした。テバトロンは、円周6.28 km（3.90 mi）のリングで陽子と反陽子を最大1 TeVのエネルギーまで加速するシンクロトロンで、その名前の由来となっています。[ 1 ] [ 2 ]テバトロンは1983年に1億2000万ドルの費用で完成し、1983年から2011年の稼働期間中に大幅なアップグレード投資が行われました。
テバトロンの主な成果は、1995年にトップクォーク（素粒子物理学の標準模型で予測された最後の基本フェルミオン）を発見したことである。2012年7月2日、フェルミラボのCDFおよびDØ衝突実験チームの科学者たちは、2001年以降テバトロン衝突装置で発生した約500兆回の衝突の分析結果を発表し、疑われていたヒッグス粒子の存在が99.8%の確信度で非常に高い可能性が高いことを発見した[ 3 ]。その後、その確信度は99.9%以上に向上した[ 4 ] 。
テバトロンは、予算削減[ 5 ]と、2010年初頭に稼働を開始し、はるかに強力なLHCの完成（計画エネルギーは、テバトロンの1 TeVに対し、LHCでは2つの7 TeVビーム）のため、2011年9月30日に運転を停止しました。テバトロンのメインリングは将来の実験で再利用される可能性が高く、そのコンポーネントは他の粒子加速器に移される可能性があります。[ 6 ]
1968年12月1日、線形加速器（リニアック）の起工式が行われた。メイン加速器エンクロージャーの建設は1969年10月3日に始まり、 NAL所長のロバート・R・ウィルソンが最初の土を掘り起こした。これが、フェルミラボの周長6.3kmのメインリングとなる 。[ 1 ]
リニアックの最初の 200 MeV ビームは 1970 年 12 月 1 日に開始されました。ブースターの最初の 8 GeV ビームは 1971 年 5 月 20 日に生成されました。1971 年 6 月 30 日、陽子ビームが初めて国立加速器研究所のメイン リングを含む加速器システム全体を通過しました。ビームは 7 GeV までしか加速されませんでした。当時、ブースター加速器は リニアックから 200 MeV の陽子を受け取り、そのエネルギーを 80 億電子ボルトに「ブースト」しました。その後、それらはメイン加速器に注入されました。[ 1 ]
メインリングが完成する前の同年、ウィルソンは1971年3月9日に原子力合同委員会で、超伝導磁石を使用することでより高いエネルギーを達成できると証言した。彼はまた、メインリングと同じトンネルを使用し、新しい磁石をメインリングの既存の磁石と並行して動作するように同じ場所に設置することでそれが可能になると提案した。これがテバトロン計画の出発点となった。[ 7 ]テバトロンは1973年から1979年の間、研究開発段階にあり、その間メインリングでの加速は強化され続けた。[ 8 ]
一連の節目を経て、加速は 1972年1月22日に20 GeV、 2月4日に53 GeV、 2月11日に100 GeVに達した。1972年3月1日、当時のNAL加速器システムは、陽子ビームを設計エネルギーである200 GeVまで初めて加速した 。1973年末までに、NALの加速器システムは300 GeVで日常的に稼働するようになった。[ 1 ]
1976年5月14日、フェルミラボは陽子を500GeVまで加速した 。この成果により、1000GeVに相当する新しいエネルギー尺度であるテラ電子ボルト（TeV）を導入する機会が得られた 。同年6月17日、欧州のスーパープロトンシンクロトロン加速器（SPS）は、初期の循環陽子ビーム（加速用高周波電力なし）がわずか400GeVであった。[ 9 ]
従来の磁石メインリングは、その下に超伝導磁石を設置するために1981年に停止されました。メインリングは、2000年にメインリングの西側にメインインジェクターが完成するまで、テバトロンのインジェクターとして機能し続けました。[ 7 ]当時「エネルギー倍増装置」として知られていたこの装置は、1983年7月3日に最初の加速ビーム（512 GeV）を生成しました。[ 10 ]
1984年2月16日に初期エネルギー800 GeVを達成した。1986年10月21日、テバトロンでの加速は900 GeVまで引き上げられ、 1986年11月30日に 1.8 TeVでの最初の陽子-反陽子衝突が実現した。[ 11 ]
メインリングに取って代わったメインインジェクター[12]は、1993年から6年間かけて2億9000万ドルの費用をかけて建設された最も重要な追加設備でした[ 13 ] 。テバトロン衝突型加速器のランIIは、この施設のアップグレードが成功裏に完了した後、2001年3月1日に開始されました。それ以来、ビームは980 GeVのエネルギーを供給することができました[ 12 ] 。
2004年7月16日、テバトロンは新たなピーク光度を達成し、CERNの旧欧州交差蓄積リング（ISR）が保持していた記録を破った。フェルミラボのこの記録は、2006年9月9日に2倍になり、2008年3月17日には3倍強になり、最終的には2010年4月16日に2004年の記録の4倍（最大4 × 10）に達した。32 cm −2 s −1 ) [ 11 ]
テバトロンは2011年9月30日に運転を停止した。2011年末までに、CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）はテバトロンの約10倍のルミノシティ（3.65 × 10⁻⁶）を達成した。ビーム速度は33 cm −2 s −1、ビームエネルギーは それぞれ3.5 TeV（2010年3月18日から実施）で、すでにテバトロン（0.98 TeV）の能力の約3.6倍となっている。
加速はいくつかの段階を経て行われた。最初の段階は750 keVのコッククロフト・ウォルトン前加速器で、水素ガスを電離し、正の電圧を用いて生成された負イオンを加速した。次にイオンは150メートル長の線形加速器（リニアック）に入り、そこで振動電場を用いてイオンを400 MeVまで加速した。その後イオンは炭素箔を通過して電子が除去され、荷電した陽子がブースターへと移動した。[ 14 ]
ブースターは小型の円形シンクロトロンで、陽子はこれを最大20,000回周回して約8 GeVのエネルギーに達する。ブースターから粒子はメインインジェクターに送られる。メインインジェクターは1999年に完成し、いくつかのタスクを実行する。陽子を最大150 GeVまで加速したり、反陽子生成用の120 GeVの陽子を生成したり、反陽子のエネルギーを150 GeVまで増加させたり、陽子または反陽子をテバトロンに注入したりすることができる。反陽子は反陽子源によって生成される。120 GeVの陽子がニッケルターゲットに衝突し、反陽子を含むさまざまな粒子が生成され、これらは蓄積リングに収集および貯蔵される。その後、リングは反陽子をメインインジェクターに送ることができる。
テバトロンは、メインインジェクターからの粒子を最大980 GeVまで加速することができた。陽子と反陽子は反対方向に加速され、CDF検出器とDØ検出器で交差して1.96 TeVで衝突した。粒子を軌道上に保持するために、テバトロンは液体ヘリウムで冷却された774個のニオブチタン超伝導双極子磁石を使用し、4.2テスラの磁場強度を生成した。粒子が加速されるにつれて、磁場は約20秒かけて上昇した。ビームを集束するために、さらに240個のNbTi四重極磁石が使用された。[ 2 ]
テバトロンの初期設計光度は10 30 cm −2 s −1であったが、アップグレード後、加速器は最大 4 × 10の光度を実現できるようになった。32 cm −2 s −1。 [ 15 ]
1993年9月27日、テバトロン加速器の極低温冷却システムが、米国機械学会によって国際歴史的建造物に指定されました。このシステムは、テバトロンの超伝導磁石に極低温液体ヘリウムを供給するもので、1978年の完成当時は世界最大の低温システムでした。粒子ビームを曲げて集束させる磁石のコイルを超伝導状態に保つことで、通常の温度で必要な電力のわずか3分の1しか消費しませんでした。[ 8 ]
テバトロンは、理論素粒子物理学によって予測された、あるいはその存在を示唆したいくつかの素粒子の存在を確認した。1995年、CDF実験とDØ実験の共同研究グループはトップクォークの発見を発表し、2007年までにその質量（172 GeV）を1%近い精度で測定した。2006年、CDF共同研究グループはB s振動の最初の測定と2種類のシグマバリオンの観測を報告した。[ 16 ] 2007年、DØとCDFの共同研究グループは「カスケードB」( Ξ − b ) Xiバリオン の直接観測を報告した。[ 17 ]
2008年9月、DØコラボレーションは、 測定された質量がクォークモデルの予測よりも著しく高い「ダブルストレンジ」オメガバリオンであるΩ − bの検出を報告した。 [ 18 ] [ 19 ] 2009年5月、CDFコラボレーションは、DØ実験で使用されたデータの約4倍のデータサンプルの分析に基づいて、Ω − bの探索結果を公表した 。[ 20 ] CDF実験による質量測定は6 054 .4 ± 6.8 MeV/ c 2であり、標準模型の予測と非常によく一致しており、DØ 実験で以前に報告された値では信号は観測されていません。DØ と CDF の 2 つの矛盾する結果は、111 ± 18 MeV/ c² 、または6.2標準偏差の範囲内である。CDFによって測定された質量と理論的予測値との優れた一致から、CDFによって発見された粒子が確かにΩ − bである可能性が高いことが強く示唆される。LHC実験からの新たなデータによって、 近い将来、状況が明らかになることが期待される。
2012年7月2日、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）での発表予定日の2日前、CDFおよびDØコラボレーションのテバトロン衝突型加速器の科学者たちは、2001年以降に発生した約500兆回の衝突の分析結果を発表した。彼らは、ヒッグス粒子の存在が115～135 GeVの質量範囲にある可能性が高いことを発見した。[ 21 ] [ 22 ]観測されたシグナルの統計的有意性は2.9シグマであり、これは、そのような特性を持つ粒子が実際に存在しない場合に、その大きさのシグナルが発生する確率は550分の1しかないことを意味する。しかし、テバトロンからのデータの最終分析では、ヒッグス粒子が存在するかどうかの疑問は解決されなかった。[ 3 ] [ 23 ]大型ハドロン衝突型加速器の科学者たちが、2012年7月4日に、質量がそれぞれ125.3 ± 0.4 GeV ( CMS ) [ 24 ]または126 ± 0.4 GeV ( ATLAS ) [ 25 ]という、より精密なLHCの結果を発表したときになって初めて、LHCとテバトロンによる一貫した測定を通じて、その質量範囲にヒッグス粒子が存在するという強力な証拠が得られました。
数千マイル離れた場所からでも、地震は磁石に十分な動きを引き起こし、粒子ビームの品質に悪影響を与え、場合によってはビームを妨害することさえありました。そのため、テバトロンの磁石には傾斜計が設置され、微細な動きを監視し、問題の原因を迅速に特定するのに役立てられています。ビームを妨害したことが知られている最初の地震は、2002年のデナリ地震で、2004年6月28日には中規模の局地的な地震によって別の衝突型加速器の停止が発生しました。 [ 26 ]それ以降、 2004年のインド洋地震、2005年のニアス・シムルエ地震、2007年のニュージーランドのギズボーン地震、2010年のハイチ地震、2010年のチリ地震など、20を超える地震から発せられる微細な地震振動がテバトロンで検出されましたが、停止には至りませんでした。[ 27 ]
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