Fermi National Accelerator Laboratory

Istoric

Între cel de-al Doilea Război Mondial și anii 1960, guvernul federal a finanțat diferite acceleratoare de particule la universități concurente pentru a construi experimente de fizică de înaltă energie. Cele mai notabile au fost Acceleratorul liniar de la Stanford (SLAC), care trimitea particule în linie dreaptă, Laboratorul Național Brookhaven de la SUNY Stoney Brook și sincrotronul Universității Cornell, care trimitea particule în jurul unui cerc pentru ca aceiași magneți să lucreze de mai multe ori asupra particulelor. Până în anii 1960, costurile de construcție a unor acceleratoare de atom mai mari erau prea mari pentru a finanța fiecare campus în parte, iar dimensiunea inelului pentru următorul accelerator circular ar fi fost prea mare pentru a încăpea într-un campus universitar existent. Astfel, guvernul federal a decis să înființeze o nouă locație care să fie condusă de fizicieni de la mai multe universități. Au organizat un concurs pentru a alege un loc, dar politicienii s-au luptat ca acesta să fie în Illinois.

Weston, Illinois, era o comunitate de lângă Batavia. A fost o subdiviziune de case prefabricate începută la începutul anilor 1960. Vânzările au fost foarte lente, așa că dezvoltatorii de terenuri au încercat să atragă Fermilab pentru a fi un nou angajator la marginea noului oraș. Cu toate acestea, s-a dovedit că suprafața de teren necesară ar fi înghițit întregul oraș. Astfel, orașul a votat să vândă tot terenul, inclusiv casele care fuseseră construite, către Fermilab. Orașul s-a dizolvat apoi.

Laboratorul a fost înființat în 1967 sub numele de National Accelerator Laboratory; în 1974 a fost redenumit în onoarea lui Enrico Fermi. Primul director al laboratorului a fost Robert Rathbun Wilson. Wilson a realizat multe dintre sculpturile din campus. Lui i se atribuie faptul că a fost responsabil pentru faptul că a fost terminat înainte de termen și sub buget. Clădirea înaltă a laboratorului de pe amplasament, a cărei formă unică a devenit simbolul pentru Fermilab, este numită în onoarea sa și este centrul de activitate al campusului.

Înainte ca noile clădiri să poată fi terminate, oamenii de știință s-au mutat în casele Weston și au mutat toate casele de la fermă din Fermilab în acea locație pentru a fi folosite ca spații de birouri. Ei au redenumit Weston, "Fermilab Village". Acesta găzduiește în continuare oameni de știință în vizită.

Wilson a adus echipa care a construit sincrotronul Cornell pentru a ajuta la construirea acceleratorului original de 200 GeV. Două invenții importante au făcut ca acest accelerator să devină învechit: magneții supraconductori și utilizarea aceluiași inel accelerator pentru a trimite două grupuri de particule în direcții opuse, astfel încât, atunci când se ciocnesc, acestea să aibă o energie dublă.

După ce Wilson a demisionat în 1978 pentru a protesta împotriva lipsei de fonduri pentru laborator, Leon M. Lederman a preluat conducerea. Sub îndrumarea sa, acceleratorul original a fost înlocuit cu acceleratorul Tevatron. Noul accelerator era capabil să ciocnească protoni și un antiproton la o energie combinată de 1,96 TeV. Lederman a demisionat în 1988 și a rămas director emerit. Centrul de educație științifică de la fața locului (care deservește studenții și publicul larg) a fost numit în onoarea sa.

Între 1988 și 1998, laboratorul a fost condus de John Peoples. Din acel moment și până la 30 iunie 2005, laboratorul a fost condus de Michael S. Witherell. La 19 noiembrie 2004, Piermaria Oddone, fostă directoare a Laboratorului Național Lawrence Berkeley din California, a fost anunțată ca fiind noul director al Fermilab. Oddone și-a început mandatul de director la 1 iulie 2005.

Fermilab continuă să participe la lucrările la LHC, inclusiv în calitate de site de nivel 1 în cadrul rețelei mondiale de calcul LHC. Statul Illinois finanțează o nouă clădire a Centrului de cercetare a acceleratoarelor din Illinois la Fermilab pentru oamenii de știință și partenerii industriali.

Robert Rathbun Wilson Hall

Acceleratoare

Prima etapă a procesului de accelerare are loc în generatorul Cockcroft-Walton. Aceasta implică preluarea hidrogenului gazos și transformarea acestuia în ioni H- prin introducerea lui într-un recipient căptușit cu electrozi de molibden: un catod oval, de mărimea unei cutii de chibrituri, și un anod înconjurător, separați de 1 mm și menținuți în poziție de izolatori din ceramică de sticlă. Un magnetron este utilizat pentru a genera o plasmă care să formeze H- în apropierea suprafeței metalice. Generatorul Cockcroft-Walton aplică un câmp electrostatic de 750 keV, iar ionii sunt accelerați în afara recipientului. Următorul pas este acceleratorul liniar (sau linac), care accelerează particulele la 400 MeV, adică la aproximativ 70% din viteza luminii. Chiar înainte de a intra în următorul accelerator, ionii H- trec printr-o folie de carbon, devenind ioni H+ (protoni).

Următorul pas este inelul de rapel. Inelul de rapel este un accelerator circular cu o circumferință de 468 m care utilizează magneți pentru a îndoi fasciculele de protoni pe o traiectorie circulară. Protonii care provin de la Linac călătoresc în jurul Booster-ului de aproximativ 20.000 de ori în 33 de milisecunde, astfel încât aceștia experimentează în mod repetat câmpuri electrice. Cu fiecare revoluție, protonii capătă mai multă energie, părăsind Booster-ul cu 8 GeV. Injectorul principal este următoarea verigă din lanțul acceleratorului. Finalizat în 1999, acesta a devenit "stația de comutare a particulelor" de la Fermilab, având trei funcții: accelerează protoni, livrează protoni pentru producția de antiprotoni și accelerează antiprotoni care provin de la sursa de antiprotoni. Ultimul accelerator a fost Tevatronul. Acesta a fost al doilea cel mai puternic accelerator de particule din lume (Large Hadron Collider de la CERN fiind cel mai puternic). Călătorind aproape cu viteza luminii, protonii și antiprotonii se deplasează în jurul Tevatronului în direcții opuse. Fizicienii coordonează fasciculele astfel încât acestea să se ciocnească în centrele a două detectoare de 5.000 de tone, DØ și CDF, aflate în interiorul tunelului Tevatron, la energii de 1,96 TeV, dezvăluind condițiile materiei din universul timpuriu și structura sa la cea mai mică scară. Tevatronul este în curs de transformare într-un muzeu.

Acceleratorul liniar are, de asemenea, o unitate de tratament medical. Medicii tratează persoanele bolnave de cancer prin injectarea de protoni sau neutroni din accelerator în tumorile acestora.

Inelele acceleratorului Fermilab

Experimente

• Holometru interferometru
• Colisionatorul de protoni și antiprotoni Tevatron: DØ și detectorul de coliziune de la Fermilab
• MiniBooNE: Experimentul Mini Booster Neutrino
• Sciboone: Experimentul SciBar Booster Neutrino
• MINOS: Căutarea oscilației neutrinilor din Injectorul Principal (Main Injector Neutrino Oscillation Search)
• MINERνA: ExpeRiment de INjecție principală cu νs pe As
• NOνA: NuMI Aspect νe în afara axei NuMI
• MIPP: producția de particule din injectorul principal