Fermilab — ASV Fermi nacionālā daļiņu fizikas laboratorija
Fermi Nacionālā paātrinātāju laboratorija (Fermilab), kas atrodas netālu no Batavijas, Ilinoisas štatā, netālu no Čikāgas, ir ASV Enerģētikas departamenta nacionālā laboratorija, kas specializējas augstas enerģijas daļiņu fizikā. No 2007. gada 1. janvāra Fermilab pārvalda Fermi pētniecības alianse — kopuzņēmums, kurā ietilpst Čikāgas Universitāte, IlinoisasTehnoloģiju institūts un Universitāšu pētniecības asociācija (URA). Fermilab ir nozīmīga loma Ilinoisas tehnoloģiju un pētniecības koridorā un ASV daļiņu fizikas infrastruktūrā.
Vēsture un misija
Laboratorija tika dibināta 1967. gadā kā National Accelerator Laboratory un vēlāk tika pārdēvēta par godu Enriko Fermī. Fermilab izveidojās ar mērķi veikt pamata pētījumus par elementārdaļiņu īpašībām, attīstīt paātrinātāju tehnoloģijas un izstrādāt detektoru tehnikas. Pirmais laboratorijas vadītājs bija Robert R. Wilson, kurš devis stipru uzsvaru gan zinātnes, gan arī vietējās vides un sabiedriskajām funkcijām.
Paātrinātāji un nozīmīgi atklājumi
Fermilab paātrinātāju komplekss tradicionāli bija vērsts uz augstas enerģijas paātrinātāju fiziku. Tevatrons bija Fermilab galvenais sinhronais protonu–antiprotonu paātrinātājs; ar aptuveni 3,9 jūdzes (6,3 km) apkārtmēru tas ilgu laiku bija viens no pasaules vadošajiem enerģijas paātrinātājiem (salīdzinājumam, CERN Lielā hadronu paātrinātāja apkārtmērs ir 27 km). Tevatrons darbojās līdz 2011. gada 30. septembrim, un tā laikā pēc Tevatrona datiem 1995. gadā neatkarīgi paziņoja par topkvarka atklāšanu divas Fermilab komandas (CDF un DØ).
Neitrīno programma un citi eksperimenti
Pēc Tevatrona slēgšanas Fermilab liela uzmanība tika veltīta neitrīno zinātnei un citiem intensīvas staru fizikas projektiem. Papildus lielajiem paātrinātājiem laboratorijā tiek veikti vairāki fiksētā mērķa un neitrīno eksperimenti:
- MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment) — detektors ir 40 pēdu (12 m) diametra lode ar aptuveni 800 tonnām minerāleļļas un 1520 fototubiem; katru gadu tiek reģistrēti apmēram 1 miljons neitrīno notikumu.
- SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) — projekts, kas atrodas tajā pašā neitrīno staru kūlī kā MiniBooNE, nodrošinot precīzāku trajektoriju izsekošanu un mijiedarbību pētījumus.
- MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) — izmanto Fermilab NuMI (Neutrinos at the Main Injector) staru kūli; neitrīno stari ceļo caur Zemi uz attālo detektoru Soudānas raktuvē Minesotā, aptuveni 455 jūdzes (732 km) attālumā.
- NOvA, MicroBooNE, Short-Baseline Neutrino programmas un citi moderni projekti, kas paplašina izpratni par neitrīnu oscilācijām un iespējamo jaunu fizikālu parādību meklējumiem.
- Mūonas (muon) fizikā orientēti eksperimenti, piemēram, Muon g−2 (anomālā mūona magnētiskā momenta mērījumi) un Mu2e (meklēšana pēc mūonu uz elektron pārvērtībām), kas piedalās starptautiskos centienos testēt Standarta modeļa robežas.
Infrastruktūra un nākotnes projekti
Fermilab attīsta modernus paātrinātāja uzlabojumus, lai atbalstītu nākamās paaudzes neitrīno eksperimentus. Starp galvenajiem projektiem ir PIP‑II (Proton Improvement Plan II) — plānots augstas jaudas protonu ģenerators — un Long‑Baseline Neutrino Facility (LBNF) kopā ar starptautisko Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), kurš paredz ilgtermiņa neitrīno staru kūli no Fermilab uz dziļi pazeminātu detektoru Dienviddakotā. Šie projekti nodrošinās intensīvas stari un modernus detektorus, lai risinātu fundamentālus jautājumus par neitrīnu īpašībām, masas hierarhiju un materijas–antimaterijas asimetriju.
Vides atjaunošana un sabiedriskās aktivitātes
Fermilab teritorija aptver plašas zemes platības, bet liela daļa iekārtu atrodas pazemē. Vienlaikus Fermilab zinātnieki un administrācija nolēma saglabāt un atjaunot sākotnējo Ilinoisas prēriju, veidojot dabas laukus un bioloģiski daudzveidīgas zonas. Institūcija ir izveidojusi ganu un audzē Amerikas bizonu ganāmpulku, kas palīdz uzturēt prērijas ekosistēmu. Fermilab dabas teritorijas ir atsevišķa bezpeļņas grupa, kas pārvalda šīs dabas aizsardzības un izglītošanas programmas.
Izglītība, sabiedrība un atpazīstamība
Fermilab aktīvi sadarbojas ar universitātēm, rūpniecību un starptautiskiem partneriem. Laboratorijā tiek veiktas izglītības programmas skolām, organizētas ekskursijas un sabiedriski pasākumi, lai popularizētu fiziku un tehnoloģijas. Fermilab arī piedalās pasaules mēroga sadarbībā ar citiem lielajiem centriem, piemēram, CERN.
Par godu laboratorijai nosaukts arī asteroīds — 11998 Fermilab.
Fermilab satelīta skats. Divas apļveida struktūras ir galvenais inžektora gredzens (mazais) un Tevatrons (lielais).
Vēsture
No Otrā pasaules kara līdz 20. gadsimta 60. gadiem federālā valdība finansēja dažādus daļiņu paātrinātājus konkurējošās universitātēs, lai veidotu augstas enerģijas fizikas eksperimentus. Ievērojamākie no tiem bija Stenfordas lineārais paātrinātājs (SLAC), kas raidīja daļiņas taisnā līnijā, Brukvena nacionālā laboratorija SUNY Stoney Brook un Kornela universitātes sinhrotrons, kas raidīja daļiņas pa apli, lai tie paši magnēti darbotos uz daļiņām vairākas reizes. Līdz 20. gadsimta 60. gadiem lielāku atomu smalcinātāju būvēšanas izmaksas bija pārāk augstas, lai finansētu katru atsevišķo universitātes pilsētiņu, un nākamā apļveida paātrinātāja gredzena izmērs būtu pārāk liels, lai to varētu izvietot esošajā koledžas pilsētiņā. Tāpēc federālā valdība nolēma izveidot jaunu vietu, kuru vadītu fiziķi no vairākām universitātēm. Viņi rīkoja konkursu, lai izvēlētos vietu, bet politiķi cīnījās par to, lai tā atrastos Ilinoisā.
Vestona, Ilinoisas štats, bija blakus Batavijai. Tā bija 60. gadu sākumā uzsākta rūpnieciski ražotu māju apbūve. Pārdošanas apjomi bija ļoti lēni, tāpēc zemes attīstītāji centās piesaistīt Fermilab, lai tas kļūtu par jaunu darba devēju jaunās pilsētiņas malā. Tomēr izrādījās, ka nepieciešamās zemes apjoms aprij visu pilsētu. Tāpēc pilsēta nobalsoja par visas zemes, ieskaitot uzceltās mājas, pārdošanu Fermilab. Pēc tam pilsēta tika likvidēta.
Laboratorija tika dibināta 1967. gadā kā Nacionālā paātrinātāju laboratorija; 1974. gadā tā tika pārdēvēta par godu Enriko Fermī. Pirmais laboratorijas direktors bija Roberts Ratbuns Vilsons. Vilsons ir daudzu skulptūru autors. Viņam tiek piedēvēta atbildība par to, ka laboratorija tika pabeigta pirms termiņa un ar mazāku budžetu. Viņa vārdā ir nosaukta augstceltnes laboratorijas ēka, kuras unikālā forma ir kļuvusi par Fermilab simbolu, un tā ir universitātes pilsētiņas darbības centrs.
Pirms jauno ēku pabeigšanas zinātnieki pārcēlās uz Vestonas mājām, kā arī pārcēla uz tām visas Fermilab fermu mājas, lai tās izmantotu kā biroju telpas. Viņi pārdēvēja Vestonu par "Fermilab ciematu". Tajā joprojām mitinās zinātnieki.
Vilsons piesaistīja komandu, kas bija uzbūvējusi Kornela sinhrotronu, lai palīdzētu izveidot sākotnējo 200 GeV paātrinātāju. Divi svarīgi izgudrojumi padarīja šo paātrinātāju novecojušu: supravadoši magnēti un viena un tā paša paātrinātāja gredzena izmantošana, lai divas daļiņu grupas raidītu pretējos virzienos tā, ka sadursmes brīdī tām būtu divreiz lielāka enerģija.
Pēc tam, kad Vilsons 1978. gadā atkāpās no amata, protestējot pret finansējuma trūkumu laboratorijai, tās vadību pārņēma Leons M. Ledermans. Viņa vadībā sākotnējo paātrinātāju aizstāja ar Tevatrona paātrinātāju. Jaunais paātrinātājs spēja sadursināt protonu un antiprotonu ar kopējo enerģiju 1,96 TeV. Ledermans atkāpās no amata 1988. gadā un joprojām ir direktors emeritus. Viņa vārdā tika nosaukts uz vietas esošais zinātnes izglītības centrs (kas kalpo studentiem un plašai sabiedrībai).
No 1988. līdz 1998. gadam laboratoriju vadīja Džons Pīpss. No tā laika līdz 2005. gada 30. jūnijam laboratoriju vadīja Michael S. Witherell. 2004. gada 19. novembrī par Fermilab jauno direktoru tika paziņots Pīrmarija Oddone (Piermaria Oddone), kas agrāk strādāja Lorensa Berklijas Nacionālajā laboratorijā Kalifornijā. Oddone sāka pildīt direktora pienākumus 2005. gada 1. jūlijā.
Fermilab turpina piedalīties LHC darbā, tostarp darbojas kā 1. līmeņa vieta LHC skaitļošanas tīklā (Worldwide LHC Computing Grid). Ilinoisas štats finansē jaunu Ilinoisas paātrinātāju pētniecības centra ēku Fermilab zinātniekiem un rūpniecības partneriem.
Robert Rathbun Wilson Hall
Paātrinātāji
Pirmais paātrināšanas procesa posms notiek Kokkrofta-Valtona ģeneratorā. Tajā tiek ņemta ūdeņraža gāze un pārvērsta H jonos, ievadot to traukā, kas izklāts ar molibdēna elektrodiem: sērkociņu kastītes lieluma, ovālas formas katodu un apkārtējo anodu, kas ir atdalīti 1 mm attālumā un ko tur stikla keramikas izolatori. Magnetronu izmanto, lai radītu plazmu, kas veido H- pie metāla virsmas. Ar Kokkrofta-Valtona ģeneratora palīdzību tiek pielikts 750 keV elektrostatiskais lauks, un joni tiek paātrināti ārā no konteinera. Nākamais posms ir lineārais paātrinātājs (jeb linaks), kas paātrina daļiņas līdz 400 MeV jeb aptuveni 70 % no gaismas ātruma. Tieši pirms nokļūšanas nākamajā paātrinātājā H- joni iziet cauri oglekļa folijai, kļūstot par H+ joniem (protoniem).
Nākamais solis ir pastiprinātāja gredzens. Pastiprināšanas gredzens ir 468 m apkārtmēra apļveida paātrinātājs, kas izmanto magnētus, lai protonu starus izlocītu pa apļveida ceļu. Protoni, kas nāk no Linac, 33 milisekundēs aptuveni 20 000 reižu riņķo ap pastiprinātāju, tādējādi tie atkārtoti saskaras ar elektrisko lauku. Ar katru apgriezienu protoni uzkrāj vairāk enerģijas, atstājot pastiprinātāju ar 8 GeV. Galvenais inžektors ir nākamais ķēdes posms paātrinātājā. To pabeidza 1999. gadā, un tas ir kļuvis par Fermilab "daļiņu centrmezglu" ar trim funkcijām: tas paātrina protonus, piegādā protonus antiprotonu ražošanai un paātrina antiprotonus, kas nāk no antiprotonu avota. Pēdējais paātrinātājs bija Tevatrons. Tas bija otrais jaudīgākais daļiņu paātrinātājs pasaulē (jaudīgākais ir CERN Lielais hadronu paātrinātājs). Protoni un antiprotoni, pārvietojoties gandrīz ar gaismas ātrumu, riņķo ap Tevatronu pretējos virzienos. Fiziķi koordinē staru kūļus tā, lai tie saduras divu 5000 tonnu smagu detektoru DØ un CDF centros Tevatrona tuneļa iekšienē ar 1,96 TeV enerģiju, atklājot agrīnā Visuma matērijas apstākļus un tās struktūru mazākajā mērogā. Tevatrons tiek pārveidots par muzeju.
Lineārajā paātrinātājā ir arī ārstniecības iestāde. Ārsti ārstē vēža slimniekus, no paātrinātāja raidot protonus vai neitronus uz audzējiem.
Fermilab paātrinātāja gredzeni
Eksperimenti
- Holometra interferometrs
- Tevatrona protonu-antiprotonu paātrinātājs: DØ un paātrinātāja detektors Fermilab
- MiniBooNE: Mini Booster Neutrīno eksperiments
- Sciboone: SciBar Booster neitrīno eksperiments
- MINOS: galvenā inžektora neitrīno oscilācijas meklēšana
- MINERνA: Galvenais INžektora eksperiments ar νs uz As
- NOνA: NuMI ārpus ass νe Izskats
- MIPP: galvenā inžektora daļiņu ražošana
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Fermi Nacionālā paātrinātāju laboratorija?
A: Fermi Nacionālā paātrinātāju laboratorija (Fermilab) ir ASV Enerģētikas departamenta nacionālā laboratorija, kas specializējas augstas enerģijas daļiņu fizikā.
Q: Kas vada Fermilab?
A: No 2007. gada 1. janvāra Fermilab pārvalda Fermi pētniecības alianse, kas ir Čikāgas Universitātes, Ilinoisas Tehnoloģiju institūta un Universitāšu pētniecības asociācijas (URA) kopuzņēmums.
J: Kādam nolūkam tika izmantots Tevatrona daļiņu paātrinātājs?
A: Daļiņu paātrinātājs Tevatrons tika izmantots, lai atklātu topkvarku un veiktu augstas enerģijas paātrinātāju fizikas eksperimentus.
J: Kādi vēl eksperimenti tiek veikti Fermilab?
A: Papildus augstas enerģijas paātrinātāju fizikai Fermilab tiek veikti arī mazāki fiksētā mērķa un neitrīno eksperimenti, piemēram, MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) un MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search).
J: Cik liels ir MiniBooNE detektors?
A: MiniBooNE detektors ir 40 pēdu (12 m) diametra lode, kurā ir 800 tonnas minerāleļļas, kas izklāta ar 1520 atsevišķiem fototubu detektoriem.
J: Cik tālu no Fermilab atrodas NuMI staru kūlis?
A: NuMI staru kūlis no Fermilab uz Soudānas raktuvi Minesotā aizlido 455 jūdzes (732 km).
J: Kādas programmas Fermilab ir uzsācis uz savas zemes virsmas?
A: Fermilab uz savas zemes virsmas ir uzsācis eksperimentu, lai atjaunotu Ilinoisas sākotnējo prēriju, kā arī fermu, lai audzētu Amerikas bizonu ganāmpulku.
