Fermilab

Historia

W okresie między II wojną światową a latami 60. rząd federalny finansował różne akceleratory cząstek na konkurujących ze sobą uniwersytetach, aby budować eksperymenty z fizyką wysokoenergetyczną. Najbardziej godne uwagi były Akcelerator Liniowy Stanford (SLAC), który wysyłał cząstki w linii prostej, Narodowe Laboratorium w Brookhaven w SUNY Stoney Brook oraz synchrotron Uniwersytetu Cornell, który wysyłał cząstki w okręgu, aby te same magnesy pracowały na nich wielokrotnie. W latach 60-tych koszt budowy większych atomowych kruszarek był zbyt wysoki, aby sfinansować każdy indywidualny kampus, a rozmiar pierścienia dla następnego kołowego akceleratora byłby zbyt duży, aby zmieścić się na istniejącym kampusie uczelni. Tak więc, rząd federalny zdecydował o rozpoczęciu nowej lokalizacji, która miałaby być prowadzona przez fizyków z kilku uniwersytetów. Przeprowadzili oni konkurs na wybór miejsca, ale politycy walczyli o to, by było ono w Illinois.

Weston, Illinois było społecznością obok Batavii. Był to pododdział domów prefabrykowanych, który rozpoczął się na początku lat 60-tych. Sprzedaż była bardzo powolna, więc deweloperzy starali się przyciągnąć Fermilab, aby był nowym pracodawcą na obrzeżach nowego miasta. Okazało się jednak, że ilość potrzebnej ziemi pochłonie całe miasto. W związku z tym miasto zagłosowało za sprzedażą Fermilabowi całej ziemi, łącznie z domami, które zostały wybudowane. Następnie miasto zostało rozwiązane.

Laboratorium zostało założone w 1967 roku jako Krajowe Laboratorium Akceleratorów; w 1974 roku zmieniono jego nazwę na Enrico Fermi. Pierwszym dyrektorem laboratorium był Robert Rathbun Wilson. Wilson wykonał wiele rzeźb na terenie kampusu. Przypisuje się mu odpowiedzialność za ich ukończenie przed czasem i w ramach budżetu. Wysoki budynek laboratorium na terenie obiektu, którego unikalny kształt stał się symbolem Fermilabu, został nazwany na jego cześć i stanowi centrum aktywności na terenie kampusu.

Zanim nowe budynki mogły zostać ukończone, naukowcy przenieśli się do domów Westona, a także wszystkie budynki gospodarcze na Fermilabie do tego miejsca w celu wykorzystania ich jako powierzchnie biurowe. Zmienili nazwę na Weston, "Fermilab Village." Wciąż są tam domy odwiedzających naukowców.

Wilson sprowadził zespół, który zbudował synchrotron Cornell, aby pomóc zbudować oryginalny akcelerator 200 GeV. Dwa ważne wynalazki sprawiły, że akcelerator ten stał się przestarzały: magnesy nadprzewodzące i użycie tego samego pierścienia akceleratora do wysłania dwóch grup cząstek w przeciwnych kierunkach, tak aby w momencie zderzenia miały one dwa razy większą energię.

Po tym jak Wilson ustąpił w 1978 roku, aby zaprotestować przeciwko brakowi środków na laboratorium, Leon M. Lederman podjął pracę. To pod jego kierownictwem oryginalny akcelerator został zastąpiony akceleratorem Tevatrona. Nowy akcelerator był zdolny do zderzenia protonu z antyprotonem przy łącznej energii 1,96 TeV. Lederman ustąpił ze stanowiska w 1988 roku i pozostaje emerytowanym dyrektorem. Na jego cześć nazwano działające na miejscu centrum edukacji naukowej (które służy uczniom i ogółowi społeczeństwa).

Od 1988 do 1998 roku laboratorium było prowadzone przez Johna Peoplesa. Od tego czasu do 30 czerwca 2005 roku laboratorium było prowadzone przez Michaela S. Withella. 19 listopada 2004 roku Piermaria Oddone, wcześniej Lawrence Berkeley National Laboratory w Kalifornii, została ogłoszona najnowszym dyrektorem Fermilabu. Oddone rozpoczął swoją kadencję jako dyrektor 1 lipca 2005 roku.

Fermilab nadal uczestniczy w pracach w LHC, w tym jako strona Tier 1 w Worldwide LHC Computing Grid. Stan Illinois finansuje nowy budynek Illinois Accelerator Research Center w Fermilabie dla naukowców i partnerów przemysłowych.

Robert Rathbun Wilson Hall

Akceleratory

Pierwszy etap procesu przyspieszania odbywa się w generatorze Cockcroft-Walton. Polega on na pobraniu gazu wodorowego i przetworzeniu go na jony H poprzez wprowadzenie go do zbiornika wyłożonego elektrodami molibdenowymi: katody o wielkości pudełka zapałczanego, owalnej i anody otaczającej, oddzielonej 1 mm i utrzymywanej w miejscu przez szklane izolatory ceramiczne. Magnetron jest używany do generowania plazmy w celu utworzenia H- w pobliżu powierzchni metalu. Pole elektrostatyczne 750 keV jest aplikowane przez generator Cockcroft-Walton, a jony są przyspieszane z pojemnika. Następnym krokiem jest akcelerator liniowy (lub linac), który przyspiesza cząstki do 400 MeV, czyli około 70% prędkości światła. Tuż przed wejściem do kolejnego akceleratora jony H- przechodzą przez folię węglową, stając się jonami H+ (protonami).

Następnym krokiem jest pierścień wzmacniający. Pierścień wspomagający to 468-metrowy akcelerator obwodowy, który wykorzystuje magnesy do wyginania wiązek protonów na drodze kołowej. Protony pochodzące z Linaca podróżują wokół pierścienia wspomagającego około 20.000 razy w ciągu 33 milisekund, tak że wielokrotnie doświadczają pól elektrycznych. Z każdym obrotem protony pobierają więcej energii, pozostawiając Boostera z 8 GeV. Główny Wtryskiwacz jest kolejnym ogniwem w łańcuchu akceleratorów. Ukończony w 1999 roku, stał się "rozdzielnicą cząstek" Fermilabu z trzema funkcjami: przyspiesza protony, dostarcza protony do produkcji antyprotonów, a także przyspiesza antyprotony pochodzące ze źródła antyprotonu. Ostatnim akceleratorem był Tewatron. Był to drugi najpotężniejszy akcelerator cząstek na świecie (najmocniejszy CERN-owski Wielki Zderzacz Hadronów). Podróżując z prędkością prawie równą prędkości światła, protony i antyprotony okrążają Tewatron w przeciwnych kierunkach. Fizycy koordynują wiązki w taki sposób, że zderzają się one w środkach dwóch 5 000-tonowych detektorów DØ i CDF wewnątrz tunelu Tewatronu przy energiach 1,96 TeV, ujawniając warunki materii we wczesnym wszechświecie i jej strukturę w najmniejszej skali. Tevatron jest przekształcany w muzeum.

Akcelerator liniowy posiada również placówkę medyczną. Lekarze leczą osoby z chorobami nowotworowymi, strzelając protonami lub neutronami z akceleratora do ich guzów.

Pierścienie akceleratora Fermilabu

Eksperymenty

• Interferometr holometryczny
• Tewatronowy zderzak protonowo-antyprotonowy: DØ i Detektor Zderzacza w Fermilabie
• MiniBooNE: Mini Booster Neutrino Experiment
• Sciboone: SciBar Booster Neutrino Experiment
• MINOS: Wyszukiwanie oscylacji neutronów głównego wtryskiwacza
• MINERŻA: Główny wtryskiwacz ExpeRiment z νs na As
• NOνA: NuMI Off-axis νe Appearance
• MIPP: Produkcja cząstek stałych z głównego wtryskiwacza