סופר פרוטון-אנטי פרוטון סינכרוטרון

מאיץ הסופר פרוטון-אנטיפרוטון סינכרוטרון (באנגלית: SppS – Super Proton Antiproton Synchrotron, ידוע גם בשם Proton-Antiproton Collider) היה מאיץ חלקיקים, אשר הופעל ב-CERN מ-1981 עד 1991. על מנת שיתפקד כמאיץ התנגשויות פרוטון-אנטיפרוטון על הסופר פרוטון סינכרוטרון (SPS) בוצעו התאמות ששינו אותו מסינכרוטרון אלומה אחת למאיץ המאפשר התנגשויות בין שתי אלומות. הניסויים המרכזיים במאיץ היו UA1 וניסוי UA2, בהם נתגלו, בשנת 1983, בוזוני W ו-Z. קרלו רוביה וסימון ואן דר מיר קיבלו פרס נובל לפיזיקה לשנת 1984 כהוקרה על תרומתם החיונית לפרויקט SppS, שהובילה לגילוי בוזוני W ו-Z. ניסויים נוספים שבוצעו בSppS הם UA4 ,UA5 ו-UA8. בסביבות שנת 1968 שלדון גלאשו, סטיבן ויינברג ועבדוס סלאם העלו את תאוריית הכוח האלקטרו-חלש אשר איחדה את האלקטרומגנטיות ואת הכוח החלש, ועבורה קיבלו במשותף את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1979. בתיאוריה זו שיערו את קיומם של בוזוני W ו-Z. את הניסויים לאישוש מחקרי של התאוריה ניתן לחלק לשני שלבים. השלב הראשון היה גילוי הזרם הנייטרלי החלש בהתפזרויות נייטרינו בפרויקט המשותף גרגמל ב-CERN. לתהליך שהתגלה היה נחוץ קיומו של חלקיק נייטרלי לנשיאת הכוח החלש – בוזון Z. יתר על כן, תוצאות פרויקט גרגמל אפשרו לראשונה חישובים לשיעור המסה של בוזוני W ו-Z. החוקרים שיערו כי בוזון W הוא בעל מסה בין 60 ל-80 GeV/c2, ובוזון Z בעל מסה בין 75 ל-92 GeV/c2. אולם, תוצאות אלו העלו מכשול להמשך המחקר על בוזוני W ו-Z, משום שאנרגיות החלקיקים גבוהות מהאנרגיה המרבית שהייתה נגישה למאיצים באותו זמן. עקב זאת, השלב השני של אישוש תאוריית הכח האלקטרו-חלש, גילוי בוזוני W ו-Z, דרש תכנון ובניה של מאיץ יותר חזק. במהלך שנות ה-70 המאוחרות, הפרויקט המרכזי של CERN היה הבניה של מאיץ LEP - (Large Electron-Positron Collider). מתקן זה היה אידיאלי ליצירת בוזוני W ו-Z ולמדידת תכונותיהם. אך בגלל הלחץ ליצור בוזוני W ו-Z, קהילת CERN סירבה לחכות לסיום בניית מאיץ LEP. הדעה הרווחת הייתה שדרוש מאיץ חדש שבנייתו לא תבוא על חשבון מאיץ LEP. בשנת 1976 קרלו רוביה, פיטר מקאינטייר ודייביד קליין העלו את ההצעה לערוך שינויים במאיץ פרוטון קיים – באותו הזמן מאיץ פרוטונים כבר היה בשימוש בפרמילאב ואחד נוסף היה בבניה ב-CERN (SPS) – ולהפוך אותו למאיץ התנגשויות פרוטון-אנטי פרוטון. מכונה מסוג זה דרשה רק תא ואקום אחד, שלא כמו מאיץ ההתנגשויות פרוטון-פרוטון שדורש תאי ואקום נפרדים בגלל השדות המגנטים המכוונים בכיוונים מנוגדים שיוצרים החלקיקים. מאחר שהפרוטונים והאנטי-פרוטונים הם נושאי מטענים מנוגדים בעלי אותה האנרגיה E, הם יכולים לחוג באותו שדה מגנטי בכיוונים מנוגדים, ובכך יסופקו התנגשויות חזיתיות בין הפרוטונים והאנטי-פרוטונים בסך אנרגיית מרכז-כובד S = 2 E {\displaystyle {\sqrt {S}}=2E} . המיזם הוצע גם לפרמילאב בארצות הברית, וגם לCERN, ובסופו של דבר אומץ על ידי CERN בשביל הסופר פרוטון סינכרוטרון (SPS). בוזוני W ו-Z נוצרים לרוב כתוצאה מהשמדות קווארק-אנטיקווארק. במודל הפרטוני התנע של פרוטון משותף בין שתי קבוצות: חלקו של התנע נושאים הקווארקים, והיתר נושאים הגלואונים. לא מספיק להאיץ כל פרוטון לתנע ששווה למסה של אחד הבוזונים, מאחר שכל קווארק בפרוטון ישא רק חלק מהתנע. כדי ליצור בוזונים בתווך המשוער של 60 ל-80 GeV (בוזון W) ו-75 ל-92 GeV (בוזון Z), יש אם כן להשתמש במאיץ פרוטון-אנטיפרוטון עם אנרגיית מרכז-מסה של בקירוב 6 פעמים מסת הבוזונים, כלומר כ-500–600 GeV. תכנון הבניה של ה-SppS הותאם לפי הצורך לזהות התפרקות Z ⟶ e + + e − {\displaystyle {\ce {Z -> e+ + e-}}} . משום שחתך הפעולה של יצירת Z בשיעור ~600 GeV הוא ~1.6 nb, ויחס החילוק של - Z ⟶ e + + e − {\displaystyle {\ce {Z -> e+ + e-}}} הוא 3%~, עוצמת הארה של L=2.5·1029 cm-2s-1 תתן קצב אירועים של 1~ בכל יום. על מנת להשיג עוצמת הארה כזו דרוש מקור אנטי-פרוטונים בעל היכולת לייצר 1010·3~ אנטי-פרוטונים בכל יום.** ה-SPS תוכנן במקור כסינכונטרון לפרוטונים, אשר מאיץ אלומת פרוטונים אחת ל-450 GeV. האלומה תוכננה להידלות מתוך המאיץ ולשמש בניסויי התנגשות שמיקומם קבוע. אולם, לפני שבניית ה-SPS הושלמה, הועלה הרעיון להשתמש בו כמאיץ התנגשויות פרוטון-אנטיפרוטון. ההצעה הראשונה למאיץ התנגשויות מסוג פרוטון-אנטיפרוטון ככל הנראה הייתה הצעתם של גרש בודקר ואלכסנדר סקרינקי באוניברסיטת פריז-סוּד בשנת 1966, בעודם מתבססים על רעיונו החדש של בוקלר לקירור אלקטרונים. בשנת 1972 סימון ואן דר מיר פרסם את תאוריית הקירור ההסתברותי, שעליה זכה בפרס נובל בפיזיקה בשנת 1984. התאוריה אומתה ב-ISR ב-CERN ב-1974. בעוד שקירור אלקטרונים ככל הנראה הוביל לרעיון מאיץ ההתנגשויות פרוטון-אנטיפרוטון, בסופו של דבר נעשה שימוש בקירור הסתברותי בקדם-מאיצים על מנת להכין את האנטיפרוטונים ל-SppS. במקביל, גילויים של מטענים נטרליים בניסוי גרגמל ב-CERN הובילו להצעתם של קרלו רוביה ומשתפי הפעולה שלו להקמת מאיץ התנגשויות פרוטון-אנטיפרוטון. בשנת 1978 הפרויקט אושר על ידי מועצת CERN, והחל לפעול ביולי 1981. המתקן המשיך לפעול עד 1986, ולאחר שעבר שדרוג מהותי, המשיך לפעול מ-1987 עד 1991. המאיץ הושבת בסוף שנת 1991, מכיוון שלא עמד ברף שהציב מאיץ הפרוטון-אנטיפרוטון בפרמילאב, שהגיע לרמת אנרגיה של 1.5 TeV והחל את פעולתו בשנת 1987. בין 1981 ו-1991 תפקד SPS במשך חלק מהשנה כסינכונטרון- בכך שהאיץ אלומה בודדת בניסויי התנגשות עם מטרה קבועה- ובחלקה השני כמאיץ התנגשויות מסוג SppS. שינויים באופרציה של ה-SPS הדרישות לקיומה של טבעת אחסון כמו ה-SppS, שבה אלומות נמצאות במחזור במשך שעות רבות, גבוהות בהרבה מאלה של סינכונטרון פעימות, כמו ה-SPS. (עשר) לאחר שהוחלט על ה-SppS ב-1978, השינויים הבאים בוצעו ב-SPS: כדי להעביר אנטיפרוטונים מה-PS ל-SPS, נבנה צינור אלומות חדש, יחד עם מערכת הזרקה המותאמת להזרקה נגד סיבוב השעון. מכיוון שה-SPS עוצב עבור הזרקה של 14 GeV/c, וההזרקה החדשה תוכננה להיות 26 GeV/c, מערכת ההזרקה שודרגה. שיפור מערכת ואקום האלומות של ה-SPS. הוואקום של Torr 2·10−7 שתוכנן עבור ה-SPS הלם את דרישותיו - בתור סינכונטרון, האלומה מואצת ל-450 Gev ונדלית תוך פרק זמן קצר מאוד. (עשר) לעומת זאת, ה-SppS דרש זמן אחסון של 15 עד 20 שעות, ועל כן היה צורך לשפר את הוואקום בכמעט שלושה סדרי גודל. מערכת ההאצה המבוססת על תדרי רדיו דרשה שדרוג והתאמה להאצה סימולטנית של פרוטונים ואנטיפרוטונים יחדיו. היה צורך בסנכרון אלומות הפרוטונים והאנטיפרוטונים כך שתפגשנה במרכז הגלאים. אבחוני האלומות הותאמו לרמות אלומות נמוכות. מכשירים חדשים נוספו, כגון מצמדים כיווניים בשביל תצפית עצמאית של פרוטונים ואנטיפרוטונים. הקמת שני שטחי ניסויים גדולים במידתם (UA1 ו-UA2). מערכת ביטול האלומות שינתה את מיקומה על מנת לפנות מקום עבור הניסויים. היצירה והאחסון של אנטיפרוטונים בכמות מספקת היו מהאתגרים המשמעותיים ביותר בבניית ה-SppS. ייצור האנטיפרוטונים דרש שימוש בתשתיות שכבר היו קיימות ב-CERN, כגון הפרוטון-סינכרוטרון (PS) ואוגר האנטיפרוטונים (AA). אנטיפרוטונים נוצרו על ידי ניתוב קרן פרוטונים עוצמתית בעלת תנע של 26 GeV/c מהפרוטון-סינכרוטרון אל עבר מטרה. האנטיפרוטונים שנוצרו בתהליך היו בעלי תנע של 3.5 GeV/c, והוכוונו באמצעות מגנטיות לתוך אוגר האנטיפרוטונים, שם אוחסנו למשך שעות. הקושי המרכזי היה הגיוון בתנעים ובזוויות של האנטיפרוטונים שבקעו מהמטרה. שיטת הקטנת ממדי האלומה קרויה "קירור הסתברותי", והומצאה על ידי סימון ואן דר מיר. זוהי מערכת משוב המבוססת על כך שכל האלומות חלקיקיות (particulate) ושכיוצא מכך, ברמה המיקרוסקופית, הצפיפות בתוך נפח נתון תהיה נתונה לתנודות סטטיסטיות. (עשר) על מנת לגלות בוזוני W ו-Z, היה צורך במילוי דרישות הקשורות לעוצמת ההארה של מאיץ ההתנגשויות. הניסוי, אם כן, דרש מקור אנטיפרוטונים המסוגל לשלוח 3·1010 אנטיפרוטונים בכל יום בתור כמה קבוצות**. (שש) הצטברות האנטיפרוטונים באוגר האנטיפרוטונים הייתה עשויה לקחת מספר ימים. השדרוג של השנים 1986–1988 אפשרה עלייה של עשרת מונים בשיעור ההיערמות של האוגר. (עשר) טבעת נוספת, אשר קרויה "אוסף האנטיפרוטונים" (AC), נבנתה מסביב לאוגר הפרוטונים. מדיה וקבצים בנושא סופר פרוטון-אנטי פרוטון סינכרוטרון בוויקישיתוף "הודעה לעיתונות: פרס נובל לפיזיקה לשנת 1984", באתר www.nobelprize.org, ‏אוחזר 12.07.2017 "פרס נובל לפיזיקה לשנת 1979", באתר www.nobelprize.org, ‏אוחזר 28.7.2017 די ללה, לואיג'י; רוביה, קרלו, "הגילוי של בוזוני W ו-Z", World Scientific, 2015, עמ' 163-137 "הבוזונים W ו-Z: היזכרות אישית", באתר CERN Courier, ‏אוחזר 21.6.2017 C. Rubbia, P. McIntyre, D. Cline, Proceedings of the International Neutrino Conference Aachen 1976, Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag, 1977, עמ' 683–687, ISBN 978-3-528-08378-6. (בגרמנית) Challenges and goals for accelerators in the XXI century, Singapore, ISBN 978-981-4436-40-3 Lyndon R Evans, The proton-antiproton collider, 1988 doi: 10.5170/CERN-1988-001 וון דר מיל, ס., "Stochastic Cooling of Betatron Oscillations in the ISR", 1972 The Nobel Prize in Physics 1984, NobelPrize.org (באנגלית) Evans, Lyndon; Jones, Eifionydd; Koziol, Heribert, The CERN ppbar Collider, World Scientific Publishing, 1989