Фермилаб — национална ускорителна лаборатория за физика на частиците в Илинойс

История

В периода между Втората световна война и 60-те години на миналия век федералното правителство финансира различни ускорители на частици в конкурентни университети за провеждане на експерименти в областта на физиката на високите енергии. Най-забележителни са Станфордският линеен ускорител (SLAC), който изпраща частици по права линия, Националната лаборатория Брукхейвън в SUNY Stoney Brook и синхротронът на университета Корнел, който изпраща частици в кръг, за да може едни и същи магнити да работят върху частиците многократно. Към 60-те години на ХХ век разходите за изграждане на по-големи атомни разбивачи са твърде високи, за да се финансира всеки отделен университетски кампус, а размерът на пръстена за следващия кръгов ускорител би бил твърде голям, за да се побере в съществуващ университетски кампус. Така че федералното правителство решава да открие ново място, което да се управлява от физици от няколко университета. Те организираха конкурс за избор на място, но политиците се бореха то да бъде в Илинойс.

Уестън, Илинойс, е община в съседство с Батавия. Това е подразделение с готови къщи, започнало в началото на 60-те години на миналия век. Продажбите вървели много бавно, затова предприемачите се опитали да привлекат Фермилаб като нов работодател в покрайнините на новия град. Оказало се обаче, че размерът на необходимата земя би погълнал целия град. Затова градът гласува да продаде цялата земя, включително построените къщи, на Fermilab. След това градът се разпада.

Лабораторията е основана през 1967 г. като Национална ускорителна лаборатория; през 1974 г. е преименувана в чест на Енрико Ферми. Първият директор на лабораторията е Робърт Ратбън Уилсън. Уилсън прави много от скулптурите в кампуса. На него се приписва отговорността за завършването му предсрочно и в рамките на бюджета. Високата сграда на лабораторията на мястото, чиято уникална форма се е превърнала в символ на Фермилаб, е наречена в негова чест и е център на дейността в кампуса.

Преди новите сгради да бъдат завършени, учените се преместват в къщите на Уестън, а също така преместват всички фермерски къщи на Фермилаб на това място, за да ги използват като офис помещения. Те преименуват Уестън на "Фермилаб Вилидж". В него все още се настаняват гостуващи учени.

Уилсън привлича екипа, построил синхротрона в Корнел, за да помогне за изграждането на първоначалния ускорител с мощност 200 GeV. Две важни изобретения направиха този ускорител остарял: свръхпроводими магнити и използване на един и същ пръстен на ускорителя за изпращане на две групи частици в противоположни посоки, така че при сблъсъка те да имат два пъти по-голяма енергия.

След като Уилсън се оттегля през 1978 г. в знак на протест срещу липсата на финансиране за лабораторията, Леон М. Ледерман поема работата. Под негово ръководство първоначалният ускорител е заменен с ускорителя Теватрон. Новият ускорител е в състояние да сблъсква протон и антипротон с комбинирана енергия от 1,96 TeV. Ледерман се оттегля през 1988 г. и остава почетен директор. Научно-образователният център на място (който обслужва ученици и широката общественост) е наречен в негова чест.

От 1988 г. до 1998 г. лабораторията е ръководена от Джон Пийпълс. Оттогава до 30 юни 2005 г. лабораторията се ръководи от Майкъл С. Уизерел. На 19 ноември 2004 г. Пиермария Одон, бивш служител на Националната лаборатория "Лорънс Бъркли" в Калифорния, е обявена за най-новия директор на Фермилаб. Оддоне започва мандата си като директор на 1 юли 2005 г.

Фермилаб продължава да участва в работата в LHC, включително като обект от първо ниво в световната компютърна мрежа на LHC. Щатът Илинойс финансира нова сграда на Изследователския център за ускорители в Илинойс във Фермилаб за учени и индустриални партньори.

Робърт Ратбун Wilson Hall

Ускорители

Първият етап от процеса на ускоряване се извършва в генератора на Коккрофт-Уолтън. Той включва вземане на водороден газ и превръщането му в H- йони чрез въвеждането му в контейнер, облицован с молибденови електроди: катод с размер на кутия за мачове, овална форма и заобикалящ го анод, разделени на 1 mm и държани на място от стъклокерамични изолатори. Магнетронът се използва за генериране на плазма за образуване на H- в близост до металната повърхност. С помощта на генератора на Коккрофт-Уолтън се прилага електростатично поле от 750 keV и йоните се ускоряват извън контейнера. Следващата стъпка е линейният ускорител (или линак), който ускорява частиците до 400 MeV, или около 70 % от скоростта на светлината. Непосредствено преди да влязат в следващия ускорител, H- йоните преминават през въглеродно фолио, превръщайки се в H+ йони (протони).

Следващата стъпка е пръстенът за усилване. Ускорителният пръстен е кръгъл ускорител с обиколка 468 м, който използва магнити за огъване на снопове протони по кръгова траектория. Протоните, идващи от Линак, обикалят около бустера около 20 000 пъти за 33 милисекунди, така че многократно изпитват електрически полета. С всяко завъртане протоните набират все повече енергия и напускат Бустера с енергия от 8 GeV. Главният инжектор е следващото звено във веригата на ускорителя. Завършен през 1999 г., той се е превърнал в "разпределителя на частици" на Фермилаб с три функции: ускорява протони, доставя протони за производство на антипротони и ускорява антипротони, идващи от антипротонния източник. Последният ускорител е Теватронът. Той беше вторият по мощност ускорител на частици в света (най-мощният е Големият адронен колайдер на ЦЕРН). Пътувайки почти със скоростта на светлината, протоните и антипротоните обикалят Теватрон в противоположни посоки. Физиците координират сноповете така, че те се сблъскват в центровете на два 5000-тонни детектора DØ и CDF в тунела на Теватрон при енергии от 1,96 TeV, разкривайки условията на материята в ранната Вселена и нейната структура в най-малък мащаб. Теватронът се превръща в музей.

Линейният ускорител разполага и с лечебно заведение. Лекарите лекуват хора с онкологични заболявания, като изстрелват протони или неутрони от ускорителя в туморите им.

Ускорителни пръстени на Фермилаб

Експерименти

• Интерферометър Холометър
• Протон-антипротонен колайдер Теватрон: DØ и детектор на колайдера във Фермилаб
• MiniBooNE: Експеримент с мини бустерно неутрино
• Sciboone: експеримент с неутрино SciBar Booster
• MINOS: Търсене на осцилации на неутрино в главния инжектор
• MINERνA: Експеримент с главен инжектор с νs на As
• NOνA: NuMI Извън оста νe Поява
• MIPP: Производство на частици от главния инжектор