Fermilab: ameriški laboratorij za fiziko visokoenergijskih delcev
Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) je nacionalni laboratorij ameriškega ministrstva za energijo, specializiran za fiziko visokoenergijskih delcev, v kraju Batavia v Illinoisu blizu Chicaga. Od 1. januarja 2007 s Fermilabom upravlja Fermi Research Alliance, skupno podjetje Univerze v Chicagu, IllinoisInstitute of Technology in Universities Research Association (URA). Fermilab je del tehnološkega in raziskovalnega koridorja v Illinoisu. Laboratorij, ustanovljen v poznem 20. stoletju in poimenovan po fizik Enricu Fermiju, združuje pospeševalni inženiring, eksperimentalno fiziko visokoenergijskih delcev, nevtrinsko fiziko ter razvoj novih tehnologij za detektorje in pospeševalnike.
Pospeševalniki in zgodovina
Tevatron v laboratoriju Fermilab je bil prelomni pospeševalnik delcev; s 3,9 milje (6,3 km) v obodu je bil drugi največji energijski pospeševalnik delcev na svetu (Cernov veliki hadronski trkalnik ima 27 km v obodu), dokler ga niso zaprli 30. septembra 2011. Tevatron je bil srce Fermilaba več desetletij in je omogočil številna pomembna odkritja in natančne meritve. Leta 1995 sta dve ekipi v Fermilabu (detektorja CDF in DØ) objavili odkritje top kvarka, enega od najtežjih osnovnih delcev v Standardnem modelu.
Po zaprtju Tevatrona se je Fermilab preusmeril na vrsto drugih programov: razvoj in izgradnjo novih pospeševalnikov (vključno s projektom PIP‑II), močnejše nevtrinske snopi ter eksperimente, kot so natančna merjenja muonov in iskanje redkih procesov. Ključni deli pospeševalskega kompleksa so linac, Booster, Main Injector in sistemi za proizvodnjo intenzivnih nevtrinskih snopov (NuMI).
Nevtrinski program in sodobni eksperimenti
Poleg fizike na trkalnikih visokih energij v Fermilabu potekajo tudi številni manjši poskusi s fiksnimi tarčami in nevtrini, kot so MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) in MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). Detektor MiniBooNE je krogla s premerom 40 čevljev (12 m), ki vsebuje 800 ton mineralnega olja, obloženega s 1520 posameznimi detektorji iz fototrubic. Ocenjuje se, da vsako leto zabeležijo približno 1 milijon nevtrinskih dogodkov. SciBooNE je bil razvit kot dopolnilo MiniBooNE in je omogočal natančno sledenje interakcij, MINOS pa je uporabljal Fermilabov žarek NuMI za dolgoosne meritve nihanja nevtrinov.
Fermilab je v zadnjih letih razširil nevtrinski program z eksperimenti, kot so MicroBooNE, MINERvA, NOvA in priprave na mednarodni projekt DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) v sodelovanju z Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF). DUNE bo s pomočjo novega visokointenzivnega snopa poslanega iz Fermilaba in detektorjev v globokem tektonskem zavetišču omogočal raziskave nihanja nevtrinov, CP-kršitve v nevtrinski sektorju in iskanje redkih procesov. Nekateri od teh projektov zahtevajo pomembne nadgradnje pospeševalnikov, kot je program PIP‑II, ki povečuje moč in stabilnost snopa.
Drugi raziskovalni inženiring in eksperimenti
Poleg nevtrinskih študij se v Fermilabu izvajajo tudi poskusi, usmerjeni v merjenje lastnosti muonov (npr. Muon g‑2), iskanje redkih razpadov (Mu2e) ter razvoj novih tehnologij za detektorje in pospeševalnike. Laboratorij sodeluje z mednarodnimi partnerji, tudi pri projektih na CERNu, in prispeva k razvoju elektronike, superprevodnih komponent ter računalniških metod za obdelavo velikih količin podatkov.
Okolje, narava in družbena vloga
Za Fermilab je bilo rezervirano veliko zemljišče, vendar je večina opreme pod zemljo. Znanstveniki iz laboratorija Fermilab so se odločili, da bodo površino zemljišča uporabili kot poskus obnove prvotne prerije v Illinoisu. Ustanovili so tudi kmetijo za vzrejo črede ameriških bizonov. Društvo Fermilab Nature Areas je ločena neprofitna skupina, ki upravlja te programe, izvaja izobraževalne dejavnosti in skrbi za varstvo biodiverzitete na območju laboratorija.
Fermilab ima močan program za javnost in izobraževanje: gostijo oglede, predavanja za šole, delavnice in množico izobraževalnih virov za učitelje in študente. Sodelujejo tudi v regionalnih tehnoloških in raziskovalnih pobudah, kar povezuje akademsko, industrijsko in širšo javnost.
Drugo
Asteroid 11998 Fermilab je poimenovan v čast laboratoriju, kar priča o mednarodni prepoznavnosti njegovega prispevka k znanosti. Fermilab še naprej ostaja osrednja ustanova v ZDA za raziskave delcev in razvoj novih tehnologij, hkrati pa gradi mostove z mednarodnimi partnerji za prihodnje velike eksperimentalne programe.
Satelitski pogled na Fermilab. Dve krožni strukturi sta glavni injektorski obroč (manjši) in Tevatron (večji).
Zgodovina
Med drugo svetovno vojno in šestdesetimi leti 20. stoletja je zvezna vlada financirala različne pospeševalnike delcev na konkurenčnih univerzah, ki so izvajali poskuse na področju fizike visokih energij. Najbolj znani so bili Stanfordski linearni pospeševalnik (SLAC), ki je pošiljal delce v ravni črti, Brookhavnski nacionalni laboratorij na univerzi SUNY Stoney Brook in sinhrotron univerze Cornell, ki je pošiljal delce v krogu, da so na delce večkrat delovali isti magneti. V šestdesetih letih 20. stoletja so bili stroški gradnje večjih atomskih pospeševalnikov previsoki, da bi jih lahko financiral vsak posamezni kampus, velikost obroča za naslednji krožni pospeševalnik pa bi bila prevelika, da bi ga lahko umestili v obstoječi univerzitetni kampus. Zato se je zvezna vlada odločila, da bo ustanovila novo lokacijo, ki jo bodo vodili fiziki z več univerz. Za izbiro lokacije so razpisali natečaj, vendar so se politiki borili, da bi bila lokacija v Illinoisu.
Weston, Illinois, je bila občina poleg Batavie. To je bila subdivizija montažnih hiš, ki so jo začeli graditi v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Prodaja je bila zelo počasna, zato so razvijalci zemljišč skušali privabiti podjetje Fermilab kot novega delodajalca na robu novega mesta. Vendar se je izkazalo, da bi količina potrebnih zemljišč pogoltnila celotno mesto. Zato je mesto izglasovalo prodajo vseh zemljišč, vključno z zgrajenimi hišami, podjetju Fermilab. Mesto je nato prenehalo obstajati.
Laboratorij je bil ustanovljen leta 1967 kot Nacionalni pospeševalniški laboratorij, leta 1974 pa so ga preimenovali v čast Enrica Fermija. Prvi direktor laboratorija je bil Robert Rathbun Wilson. Wilson je izdelal veliko skulptur v kampusu. Pripisuje se mu zasluga za to, da je bil projekt končan predčasno in v okviru proračuna. Visoka laboratorijska stavba na lokaciji, katere edinstvena oblika je postala simbol za Fermilab, je poimenovana v njegovo čast in je središče dejavnosti v kampusu.
Pred dokončanjem novih stavb so se znanstveniki preselili v westonske hiše, na to lokacijo pa so preselili tudi vse kmečke hiše v Fermilabu, ki so jih uporabljali kot pisarniške prostore. Weston so preimenovali v "vas Fermilab". V njej še vedno bivajo gostujoči znanstveniki.
Wilson je v gradnjo prvotnega pospeševalnika z 200 GeV pritegnil ekipo, ki je zgradila sinhrotron v Cornellu. Zaradi dveh pomembnih izumov je ta pospeševalnik zastaral: zaradi superprevodnih magnetov in uporabe istega obroča pospeševalnika za pošiljanje dveh skupin delcev v nasprotnih smereh, tako da imata ob trku dvakrat večjo energijo.
Po Wilsonovem odstopu leta 1978 zaradi pomanjkanja sredstev za laboratorij je delo prevzel Leon M. Lederman. Pod njegovim vodstvom je bil prvotni pospeševalnik nadomeščen s pospeševalnikom Tevatron. Novi pospeševalnik je bil sposoben trka protona in antiprotona s skupno energijo 1,96 TeV. Lederman je leta 1988 odstopil in je še vedno zaslužni direktor. V njegovo čast so poimenovali znanstveno izobraževalni center na lokaciji (ki je namenjen študentom in širši javnosti).
Od leta 1988 do 1998 je laboratorij vodil John Peoples. Od takrat do 30. junija 2005 je laboratorij vodil Michael S. Witherell. 19. novembra 2004 so za novega direktorja Fermilaba razglasili Piermaria Oddoneja, ki je prej delal v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley v Kaliforniji. Oddone je svoj mandat direktorja začel 1. julija 2005.
Fermilab še naprej sodeluje pri delu v LHC, med drugim je tudi mesto prvega reda v svetovni računalniški mreži LHC. Zvezna država Illinois financira novo stavbo Illinois Accelerator Research Center v Fermilabu za znanstvenike in industrijske partnerje.
Robert Rathbun Wilsonova dvorana
Pospeševalniki
Prva faza pospeševanja poteka v Cockcroft-Waltonovem generatorju. Pri tem se vzame vodikov plin in se spremeni v H- ione tako, da se vnese v posodo, obloženo z molibdenovima elektrodama: katodo v obliki ovalne škatlice vžigalic in okoliško anodo, ki sta med seboj ločeni za 1 mm in ju držita steklokeramična izolatorja. Magnetron se uporablja za ustvarjanje plazme, ki tvori H- v bližini kovinske površine. Cockcroft-Waltonov generator uporabi elektrostatično polje 750 keV in ioni se pospešijo iz posode. Naslednji korak je linearni pospeševalnik (ali linac), ki delce pospeši na 400 MeV ali približno 70 % svetlobne hitrosti. Tik pred vstopom v naslednji pospeševalnik ioni H- preidejo skozi ogljikovo folijo in postanejo ioni H+ (protoni).
Naslednji korak je ojačevalni obroč. Obroč je 468 m dolg krožni pospeševalnik, ki s pomočjo magnetov upogiba snope protonov po krožni poti. Protoni, ki prihajajo iz linaka, v 33 milisekundah približno 20.000-krat potujejo okoli pospeševalnika, tako da večkrat doživijo električno polje. Z vsakim obratom protoni pridobijo več energije in iz ojačevalnika odidejo z energijo 8 GeV. Glavni injektor je naslednji člen v verigi pospeševalnika. Dokončan je bil leta 1999 in je postal Fermilabova "centrala delcev" s tremi funkcijami: pospešuje protone, dostavlja protone za proizvodnjo antiprotonov in pospešuje antiprotone, ki prihajajo iz antiprotonskega vira. Zadnji pospeševalnik je bil Tevatron. Bil je drugi najmočnejši pospeševalnik delcev na svetu (najmočnejši je Cernov veliki hadronski trkalnik). Protoni in antiprotoni, ki potujejo s skoraj svetlobno hitrostjo, krožijo po Tevatronu v nasprotnih smereh. Fiziki usklajujejo snope tako, da pri energijah 1,96 TeV trčita v središčih dveh 5000-tonskih detektorjev DØ in CDF v predoru Tevatron, s čimer razkrivajo pogoje snovi v zgodnjem vesolju in njegovo strukturo na najmanjši možni ravni. Tevatron se spreminja v muzej.
V linearnem pospeševalniku se nahaja tudi objekt za zdravljenje. Zdravniki zdravijo ljudi z rakom tako, da v njihove tumorje iz pospeševalnika izstreljujejo protone ali nevtrone.
Fermilabovi obročki pospeševalnika
Poskusi
- Holometer interferometer
- trkalnik protonov in antiprotonov Tevatron: DØ in detektor trkalnika v Fermilabu
- MiniBooNE: poskus z mini ojačevalnikom nevtrina
- Sciboone: Poskus z nevtrini SciBar Booster
- MINOS: Iskanje oscilacije nevtrinov v glavnem injektorju
- MINERνA: Glavni vbrizgalni eksperiment z νs na As
- NOνA: NuMI Izven osi νe Videz
- MIPP: proizvodnja delcev v glavnem vbrizgalniku
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je Nacionalni pospeševalniški laboratorij Fermi?
O: Nacionalni pospeševalniški laboratorij Fermi (Fermilab) je nacionalni laboratorij ameriškega ministrstva za energijo, specializiran za fiziko visokoenergijskih delcev.
V: Kdo upravlja Fermilab?
O: Od 1. januarja 2007 s Fermilabom upravlja Fermi Research Alliance, skupno podjetje Univerze v Chicagu, Tehnološkega inštituta Illinois in Združenja za raziskovanje univerz (Universities Research Association - URA).
V: Za kaj se je uporabljal pospeševalnik delcev Tevatron?
O: Pospeševalnik delcev Tevatron je bil uporabljen za odkritje top kvarka in izvajanje fizikalnih eksperimentov na trkalnikih visokih energij.
V: Katere druge vrste poskusov izvajajo v laboratoriju Fermilab?
O: Poleg fizike trkalnikov visokih energij v laboratoriju Fermilab potekajo tudi manjši poskusi s fiksnimi tarčami in nevtrini, kot so MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) in MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search).
V: Kako velik je detektor MiniBooNE?
O: Detektor MiniBooNE je krogla s premerom 40 čevljev (12 m), ki vsebuje 800 ton mineralnega olja, obloženega s 1520 posameznimi detektorji iz fototrubic.
V: Kako daleč potuje žarek NuMI iz Fermilab-a?
O: Žarek NuMI prepotuje 455 milj (732 km) od Fermilaba do rudnika Soudan v Minnesoti.
V: Katere programe je Fermilab začel izvajati na svojem kopnem?
O: Fermilab je na svoji kopni površini začel izvajati poskus obnove prvotne prerije v Illinoisu in kmetijo za rejo črede ameriških bizonov.
