Fermilab: ameriški laboratorij za fiziko visokoenergijskih delcev

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.

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.

• 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