โครงการความร่วมมือด้านการทดลอง Collider Detector at Fermilab ( CDF ) ศึกษาการชนกันของอนุภาค พลังงานสูง จาก เครื่องเร่งอนุภาค เทวาตรอน ซึ่งเคย เป็นเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงสุดของโลกเป้าหมายคือการค้นหาเอกลักษณ์และคุณสมบัติของอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นจักรวาล และทำความเข้าใจแรงและการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคเหล่านั้น

CDF เป็นความร่วมมือระหว่างประเทศ ซึ่งในช่วงสูงสุดประกอบด้วยนักฟิสิกส์ ประมาณ 600 คน^{[ 1 ]} (จากมหาวิทยาลัยและห้องปฏิบัติการแห่งชาติของอเมริกาประมาณ 30 แห่ง และกลุ่มประมาณ 30 กลุ่มจากมหาวิทยาลัยและห้องปฏิบัติการแห่งชาติจากอิตาลีญี่ปุ่นสหราชอาณาจักร แคนาดา เยอรมนี สเปน รัสเซีย ฟินแลนด์ ฝรั่งเศส ไต้หวันเกาหลีและสวิตเซอร์แลนด์ ) [ 2 ] เครื่องตรวจจับCDFเองมีน้ำหนัก^{ประมาณ 5,000 ตัน} [ 3 ] และ^{มีขนาดประมาณ} 12 เมตรในทุกมิติ เป้าหมายของการทดลองคือการวัดเหตุการณ์พิเศษจากจำนวนการชนกัน ของอนุภาคหลายพันล้านครั้ง เพื่อที่จะ:

• มองหาหลักฐานของปรากฏการณ์ที่อยู่นอกเหนือแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค
• วัดและศึกษาการเกิดและการสลายตัวของอนุภาคหนัก เช่น ควาร์ก บนและล่างรวมถึงโบซอน W และ Z
• วัดและศึกษาการผลิต เจ็ตอนุภาคพลังงานสูงและโฟตอน
• ศึกษาปรากฏการณ์อื่นๆ เช่นการเลี้ยวเบน^{[ 2 ]}

Tevatron ชนโปรตอนและแอนติโปรตอนที่ พลังงานศูนย์กลางมวลประมาณ 2 TeV พลังงานที่สูงมากสำหรับการชนเหล่านี้ทำให้สามารถผลิตอนุภาคหนัก เช่น ควาร์กท็อป และโบซอน W และ Z ซึ่งมีน้ำหนักมากกว่าโปรตอน(หรือแอนติโปรตอน ) มาก อนุภาคที่หนักกว่าเหล่านี้ถูกระบุผ่านการสลายตัวที่เป็นลักษณะเฉพาะ^{[ 4 ]}อุปกรณ์ CDF บันทึกวิถีและพลังงานของอิเล็กตรอน โฟตอน และแฮดรอนเบานิวตริโนไม่ได้รับการบันทึกในอุปกรณ์ ซึ่งนำไปสู่พลังงานที่หายไป อย่างเห็นได้ ชัด^{[ 5 ]}

มีการทดลองอีกอย่างหนึ่งที่คล้ายกับ CDF เรียกว่าDØซึ่งมีเครื่องตรวจจับตั้งอยู่ที่จุดอื่นบนวงแหวน Tevatron

ที่เฟอร์มิแล็บมีเครื่องตรวจจับอนุภาคสองเครื่องตั้งอยู่บนเครื่องเร่งอนุภาคเทวาตรอนได้แก่ CDF และ DØ โดย CDF เป็นเครื่องตรวจจับเครื่องแรกบนเทวาตรอนที่มีมาก่อน DØ ต้นกำเนิดของ CDF ย้อนกลับไปในปี 1976 เมื่อเฟอร์มิแล็บก่อตั้งแผนก Colliding Beams ภายใต้การนำของจิม โครนินแผนกนี้มุ่งเน้นการพัฒนาทั้งเครื่องเร่งอนุภาคที่จะสร้างลำแสงอนุภาคชนกันและเครื่องตรวจจับที่จะวิเคราะห์การชนเหล่านั้น เมื่อห้องปฏิบัติการยุบแผนกนี้ในปลายปี 1977 ก็ได้ก่อตั้งแผนก Colliding Detector Facility ขึ้นภายใต้การนำของอัลวิน โทลเลสต รัป ในปี 1980 รอย ชวิตเตอร์สได้ดำรงตำแหน่งหัวหน้าร่วมของ CDF และKEKในญี่ปุ่น และห้องปฏิบัติการแห่งชาติฟราสกาติในอิตาลีได้เข้าร่วมความร่วมมือด้วย ความร่วมมือดังกล่าวได้จัดทำรายงานการออกแบบเชิงแนวคิดสำหรับ CDF เสร็จสิ้นในช่วงฤดูร้อนปี 1981 และการก่อสร้างห้องชนกันเริ่มขึ้นในวันที่ 1 กรกฎาคม 1982 ห้องปฏิบัติการได้เปิดใช้งานเครื่องตรวจจับ CDF ในวันที่ 11 ตุลาคม 1985 และ CDF ได้สังเกตการณ์การชนกันของโปรตอน-แอนติโปรตอนครั้งแรกของ Tevatron ในวันที่ 13 ตุลาคม 1985 ^{[ 6 ]}

ตลอดหลายปีที่ผ่านมา มีการปรับปรุง CDF ครั้งใหญ่สองครั้ง ครั้งแรกเริ่มขึ้นในปี 1989 และครั้งที่สองเริ่มขึ้นในปี 2001 การปรับปรุงแต่ละครั้งถือเป็น "รอบ" รอบที่ 0 คือรอบก่อนการปรับปรุงใดๆ (1988–1989) รอบที่ 1 คือรอบหลังการปรับปรุงครั้งแรก และรอบที่ 2 คือรอบหลังการปรับปรุงครั้งที่สอง การปรับปรุงสำหรับรอบที่ 1 ประกอบด้วยการเพิ่มตัวตรวจจับจุดยอดซิลิคอน (ตัวตรวจจับดังกล่าวตัวแรกที่ติดตั้งในการทดลองเครื่องเร่งอนุภาคแฮดรอน) ^{[ 7 ]}การปรับปรุงระบบมิวออนส่วนกลาง การเพิ่มระบบติดตามจุดยอด การเพิ่มห้องพรีเรดิเอเตอร์ส่วนกลาง และการปรับปรุงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และระบบคอมพิวเตอร์สำหรับการอ่านค่า^{[ 8 ]}รอบที่ 2 ประกอบด้วยการปรับปรุงระบบติดตามส่วนกลาง ตัวตรวจจับพรีชาวเวอร์ และการขยายขอบเขตการครอบคลุมมิวออน^{[ 9 ]}

CDF เก็บข้อมูลจนกระทั่ง Tevatron ถูกปิดตัวลงในปี 2011 แต่นักวิทยาศาสตร์ของ CDF ยังคงวิเคราะห์ข้อมูลที่รวบรวมได้จากการทดลองต่อไป^{[ 10 ]}

หนึ่งในการค้นพบที่มีชื่อเสียงที่สุดของ CDF คือการสังเกตควาร์กท็อปในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2538 ^{[ 11 ]} การมีอยู่ของควาร์กท็อปได้รับการตั้งสมมติฐานหลังจากการสังเกตอัปซิลอนที่เฟอร์มิแล็บในปี พ.ศ. 2520 ซึ่งพบว่าประกอบด้วยควาร์กบอททอมและแอนติบอททอมควาร์กแบบจำลองมาตรฐานซึ่งเป็นทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุดในการอธิบายอนุภาคและปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน ได้ทำนายการมีอยู่ของควาร์กสามรุ่น^{[ 12 ]}ควาร์กรุ่นแรกคือควาร์กอัพและดาวน์ ควาร์กรุ่นที่สองคือควาร์กสเตรนจ์และชาร์ม และควาร์กรุ่นที่สามคือควาร์กท็อปและบอททอม การมีอยู่ของควาร์กบอททอมทำให้ความเชื่อมั่นของนักฟิสิกส์ที่ว่าควาร์กท็อปมีอยู่จริงนั้นแข็งแกร่งขึ้น^{[ 13 ]}ควาร์กท็อปเป็นควาร์กตัวสุดท้ายที่ถูกสังเกต ส่วนใหญ่เป็นเพราะมวลที่ค่อนข้างสูงของมัน ในขณะที่มวลของควาร์กอื่นๆ มีค่าตั้งแต่ 0.005 GeV ( ควาร์กอัพ ) ถึง 4.7 GeV (ควาร์กบอททอม) ควาร์กท็อปมีมวล 175 GeV ^{[ 14 ]}มีเพียง Tevatron ของ Fermilab เท่านั้นที่มีความสามารถด้านพลังงานในการผลิตและตรวจจับคู่ท็อป-แอนติท็อป มวลขนาดใหญ่ของควาร์กท็อปทำให้ควาร์กท็อปสลายตัวเกือบจะในทันที ภายในเวลาประมาณ 10 ⁻²⁵วินาที ทำให้สังเกตได้ยากมาก แบบจำลองมาตรฐานทำนายว่าควาร์กท็อปอาจสลายตัวแบบเลปตอนิกเป็นควาร์กบอททอมและโบซอน Wโบซอน W นี้อาจสลายตัวเป็นเลปตอนและนิวตริโน (t→Wb→ѵlb) ดังนั้น CDF จึงทำงานเพื่อสร้างเหตุการณ์ท็อปขึ้นใหม่ โดยมองหาหลักฐานของควาร์กบอททอม โบซอน W และนิวตริโนโดยเฉพาะ ในที่สุดในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2538 CDF ก็มีหลักฐานเพียงพอที่จะกล่าวได้ว่าพวกเขาได้ "ค้นพบ" ควาร์กท็อป^{[ 15 ]}ในวันที่ 24 กุมภาพันธ์ นักทดลองของ CDF และ DØ ได้ส่งบทความไปยังPhysical Review Letters พร้อมกัน โดยอธิบายถึงการสังเกตควาร์กท็อป ทั้งสองกลุ่มได้ประกาศการค้นพบนี้ต่อสาธารณะในการสัมมนาที่ Fermilab ในวันที่ 2 มีนาคม และบทความดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ในวันที่ 3 เมษายน^{[ 16 ]}

ในปี 2019 สมาคมฟิสิกส์แห่งยุโรปได้มอบ รางวัลฟิสิกส์พลังงานสูงและอนุภาค ประจำปี 2019 ให้แก่กลุ่มความร่วมมือ CDF และ DØ "สำหรับการค้นพบควาร์กท็อปและการวัดคุณสมบัติของมันอย่างละเอียด" ^{[ 17 ] [ 18 ]}

เมื่อวันที่ 25 กันยายน พ.ศ. 2549 คณะทำงาน CDF ประกาศว่าพวกเขาค้นพบว่าเมซอน B-sub-s สั่นอย่างรวดเร็วระหว่างสสารและปฏิสสารในอัตรา 3 ล้านล้านครั้งต่อวินาที ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการสั่น B– Bbar ^{[ 19 ]}

เมื่อวันที่ 8 มกราคม พ.ศ. 2550 คณะทำงาน CDF ประกาศว่าพวกเขาประสบความสำเร็จในการวัดมวลของโบซอน W ที่แม่นยำที่สุดในโลกด้วยการทดลองเพียงครั้งเดียว ซึ่งให้ข้อจำกัดใหม่เกี่ยวกับมวลที่เป็นไปได้ของโบซอนฮิกส์ที่ยังไม่ถูกค้นพบในขณะนั้น^{[ 20 ] [ 21 ]}

เมื่อวันที่ 7 เมษายน 2565 คณะทำงาน CDF ได้ประกาศในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสารScienceว่าพวกเขาได้ทำการวัดมวลของโบซอน W ที่แม่นยำที่สุดเท่าที่เคยมีมา และพบว่ามวลที่แท้จริงของมันสูงกว่ามวลที่ทำนายโดยแบบจำลองมาตรฐานและมวลที่เคยวัดได้ก่อนหน้านี้อย่างมีนัยสำคัญ^{[ 22 ]}ในปี 2566 การทดลอง ATLASที่เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider)ได้เผยแพร่การวัดมวลของโบซอน W ที่ได้รับการปรับปรุงแล้ว คือ 80,360 ± 16 MeV ซึ่งสอดคล้องกับการทำนายจากแบบจำลองมาตรฐาน^{[ 23 ] [ 24 ]}

นักวิทยาศาสตร์ของ CDF ยังค้นพบอนุภาคอื่นๆ อีกหลายชนิด รวมถึงเมซอน B-sub-c ^{[ 25 ]} (ประกาศเมื่อวันที่ 5 มีนาคม 1998); แบริออนซิกมา-sub-b ซึ่งเป็นแบริออนที่ประกอบด้วยควาร์กอัพ 2 ตัวและควาร์กบอททอม 1 ตัว และควาร์กดาวน์ 2 ตัวและควาร์กบอททอม 1 ตัว (ประกาศเมื่อวันที่ 23 ตุลาคม 2006); ^{[ 26 ]}แบริออนแคสเคด-b ซึ่งประกอบด้วยควาร์กดาวน์ ควาร์กสเตรนจ์ และควาร์กบอททอม 1 ตัว (ค้นพบร่วมกับ DØ และประกาศเมื่อวันที่ 15 มิถุนายน 2007); ^{[ 27 ]}และแบริออนโอเมก้า-sub-b ซึ่งประกอบด้วยควาร์กสเตรนจ์ 2 ตัวและควาร์กบอททอม 1 ตัว (ประกาศในเดือนมิถุนายน 2009) ^{[ 28 ]}

เพื่อให้นักฟิสิกส์เข้าใจข้อมูลที่สอดคล้องกับแต่ละเหตุการณ์ พวกเขาต้องเข้าใจส่วนประกอบของเครื่องตรวจจับ CDF และวิธีการทำงานของเครื่องตรวจจับ ส่วนประกอบแต่ละส่วนส่งผลต่อลักษณะของข้อมูล ปัจจุบัน เครื่องตรวจจับขนาด 5,000 ตันตั้งอยู่ใน B0 และวิเคราะห์การชนกันของลำแสงหลายล้านครั้งต่อวินาที^{[ 29 ]}เครื่องตรวจจับได้รับการออกแบบเป็นชั้นต่างๆ มากมาย แต่ละชั้นทำงานพร้อมกันกับส่วนประกอบอื่นๆ ของเครื่องตรวจจับเพื่อพยายามโต้ตอบกับอนุภาคต่างๆ ซึ่งทำให้นักฟิสิกส์มีโอกาส "มองเห็น" และศึกษาอนุภาคแต่ละตัว

CDF สามารถแบ่งออกเป็นชั้นได้ดังนี้:

• ชั้นที่ 1: ท่อคาน
• ชั้นที่ 2: ตัวตรวจจับซิลิคอน
• ชั้นที่ 3: ตัวติดตามชั้นนอกส่วนกลาง
• ชั้นที่ 4: แม่เหล็กโซลินอยด์
• ชั้นที่ 5: เครื่องวัดความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
• ชั้นที่ 6: เครื่องวัดพลังงานแฮดรอนิก
• ชั้นที่ 7: เครื่องตรวจจับมิวออน

ชั้นที่ 2: ตัวตรวจจับซิลิคอน

รอบๆ ท่อลำแสงมีตัวตรวจจับซิลิคอน ตัวตรวจจับนี้ใช้สำหรับติดตามเส้นทางของอนุภาคที่มีประจุขณะที่เคลื่อนที่ผ่านตัวตรวจจับ ตัวตรวจจับซิลิคอนเริ่มต้นที่รัศมีr  =  1.5  ซม. จากแนวลำแสงและขยายไปถึงรัศมีr  =  28  ซม. จากแนวลำแสง^{[ 9 ]}ตัวตรวจจับซิลิคอนประกอบด้วยซิลิคอนเจ็ดชั้นเรียงกันเป็นรูปทรงกระบอกรอบท่อลำแสง ซิลิคอนมักใช้ใน ตัวตรวจ จับอนุภาคที่มีประจุเนื่องจากมีความไวสูง ทำให้สามารถตรวจจับจุดยอดและติดตามด้วยความละเอียดสูง^{[ 31 ]}ซิลิคอนชั้นแรกที่เรียกว่าชั้น 00 เป็นตัวตรวจจับด้านเดียวที่ออกแบบมาเพื่อแยกสัญญาณออกจากพื้นหลังแม้ภายใต้รังสีที่รุนแรง ชั้นที่เหลือเป็นแบบสองด้านและทนต่อรังสี หมายความว่าชั้นต่างๆ ได้รับการปกป้องจากความเสียหายจากกัมมันตภาพรังสี^{[ 9 ]} ซิลิคอนทำงานเพื่อติดตามเส้นทางของอนุภาคที่มีประจุขณะที่ผ่านตัวตรวจจับโดยการทำให้ซิลิคอนแตกตัวเป็นไอออน ความหนาแน่นของซิลิคอนประกอบกับ พลังงานการแตกตัวเป็นไอออนต่ำของซิลิคอนทำให้สัญญาณการแตกตัวเป็นไอออนสามารถเดินทางได้อย่างรวดเร็ว^{[ 31 ]}เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่ผ่านซิลิคอน ตำแหน่งของมันจะถูกบันทึกใน 3 มิติ เครื่องตรวจจับซิลิคอนมีความละเอียดในการตรวจจับร่องรอยที่ 10  μm และ ความละเอียดในการตรวจ จับพารามิเตอร์การกระทบที่ 30  μm ^{[ 9 ]}นักฟิสิกส์สามารถดูร่องรอยของไอออนเหล่านี้และกำหนดเส้นทางที่อนุภาคเคลื่อนที่ไปได้^{[ 30 ]}เนื่องจากเครื่องตรวจจับซิลิคอนตั้งอยู่ภายในสนามแม่เหล็ก ความโค้งของเส้นทางผ่านซิลิคอนทำให้นักฟิสิกส์สามารถคำนวณโมเมนตัมของอนุภาคได้ ความโค้งที่มากขึ้นหมายถึงโมเมนตัมที่น้อยลง และในทางกลับกัน