Теватрон — ускоритель частиц, расположенный в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Фермилаб) в Батавии, штат Иллинойс. Фермилаб и Теватрон эксплуатировались для Министерства энергетики США Исследовательской ассоциацией университетов, консорциумом из 85 исследовательских университетов США и четырех университетов, представляющих Канаду, Италию и Японию. Теватрон был самым высокоэнергетичным ускорителем частиц в мире до 2009 года, когда его место занял Большой адронный коллайдер Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). Теватрон закрылся 30 сентября 2011 года.
Теватрон был построен в 1980-х годах под первым ускорителем частиц Фермилаба — протонным синхротроном в круглом туннеле с окружностью 6,3 км (3,9 мили). Теватрон был сверхпроводящим синхротроном, который использовал преимущества более высокой напряженности магнитного поля, создаваемого 1000 сверхпроводящих магнитов, для ускорения протонов до значительно более высоких уровней энергии. Все кольцо поддерживалось при температуре 4,5 кельвинов (-268,7 °C, ил и-451,6 °F) с помощью жидкого гелия. Оригинальный синхротрон стал частью системы предварительного ускорителя Теватрона, ускоряя частицы до 150 ГэВ (1 ГэВ = 1 гигаэлектронвольт = 1 миллиард электронвольт), а затем передавая их в новое сверхпроводящее кольцо для ускорения до 900 ГэВ. В 1987 году Теватрон начал работать как протонно-антипротонный коллайдер, в котором протоны с энергией 900 ГэВ сталкиваются с антипротонами с энергией 900 ГэВ, обеспечивая общую энергию столкновений 1,8 тераэлектронвольт (ТэВ; 1,8 триллиона электронвольт). Первоначальное основное кольцо было заменено в 1999 году новым предускорителем, Главным инжектором, который имел магнитное кольцо длиной 3,3 км (2,1 мили). Главный инжектор подавал на Теватрон более интенсивные пучки, что позволило увеличить число столкновений частиц в 10 раз.
Главным открытием Теватрона стало открытие топ-кварка, шестого и самого массивного кварка, в 1995 году. Ученые предположили существование топ-кварка, образующегося в результате столкновений протонов и антипротонов с энергией 1,8 ТэВ, на основании характеристик его распада. В 2010 году с помощью Тэватрона ученые обнаружили, что B-мезоны (частицы, содержащие нижний кварк) распадаются в мюоны, а не в антимюоны. Это нарушение зарядовой симметрии может привести к объяснению того, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.
В Фермилабе пучок протонов, первоначально в виде отрицательных ионов водорода (каждый из которых представляет собой один протон с двумя электронами), зарождается в 750-кВ генераторе Коккрофта-Уолтона и разгоняется до 400 МэВ в линейном ускорителе. Затем углеродная фольга отделила электроны от ионов, и протоны были введены в бустер — небольшой синхротрон диаметром 150 метров (500 футов), который разогнал частицы до 8 ГэВ. Из бустера протоны передавались в главный инжектор, где их еще больше ускоряли до 150 ГэВ, после чего они поступали на финальную стадию ускорения в Теватроне.
Антипротоны были получены путем направления протонов, разогнанных до энергии 120 ГэВ, из главного инжектора в Фермилабе на никелевую мишень. Антипротоны отделялись от других частиц, образовавшихся в столкновениях на мишени, и фокусировались литиевой линзой, после чего поступали в кольцо, называемое дебаунсером, где подвергались стохастическому охлаждению. Далее они попадали сначала в кольцо-аккумулятор, а затем в кольцо-рециркулятор, где хранились до тех пор, пока их количество не становилось достаточным для впрыска в главный инжектор. Это обеспечивало ускорение до 150 ГэВ перед передачей в Теватрон.
В Теватроне протоны и антипротоны ускорялись одновременно до энергии около 1 ТэВ во встречных пучках. Достигнув максимальной энергии, оба пучка были сохранены, а затем им было позволено столкнуться в точках вокруг кольца, где были расположены детекторы для регистрации частиц, образующихся при столкновениях.
Во время хранения в Теватроне пучки постепенно расходятся, поэтому столкновения происходят все реже. На этом этапе пучки «сбрасывались» в графитовую мишень, и делались новые пучки. В результате этого процесса терялось до 80 процентов антипротонов, которые было сложно изготовить, поэтому, когда был построен Главный инжектор, была построена и машина для извлечения и хранения старых антипротонов. Рециклер, расположенный в том же туннеле, что и Главный инжектор, представлял собой кольцо-накопитель, построенное из 344 постоянных магнитов. Поскольку на этом этапе не требовалось изменять энергию антипротонов, не нужно было менять и агнетическое поле. Использование постоянных магнитов позволило сэкономить на электроэнергии. Рециклер «охладил» старые антипротоны из Теватрона, а также реинтегрировал их с новым антипротонным пучком из аккумулятора. Более интенсивные антипротонные пучки, создаваемые Рециклером, удвоили число столкновений в Теватроне.
До 2000 года протоны с энергией 800 ГэВ извлекались из Теватрона и направлялись на мишени, чтобы получить разнообразные пучки частиц для различных экспериментов. Затем основной установкой для получения пучков частиц стал Главный инжектор, с более низкой энергией 120 ГэВ, но с гораздо более высокими интенсивностями, чем на Тэватроне.
