Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ligger strax utanför Batavia, Illinois, nära Chicago och är ett nationellt laboratorium inom USA:s energidepartement som specialiserar sig på högenergipartikelfysik. Laboratoriet grundades på 1960‑talet som National Accelerator Laboratory och fick senare namn efter fysikern Enrico Fermi. Sedan den 1 januari 2007 drivs Fermilab av Fermi Research Alliance, ett gemensamt företag av University of Chicago, Illinois Institute of Technology och Universities Research Association (URA). Fermilab är en del av Illinois Technology and Research Corridor.

Historia och roll

Fermilab har sedan starten spelat en central roll för amerikansk och internationell partikkelfysik. Under ledning av pionjärer som Robert R. Wilson byggdes anläggningar och acceleratorer som gjorde det möjligt att utforska energiområden som tidigare varit otillgängliga. Under flera decennier fungerade Fermilab som USA:s främsta center för kolliderande partikelstrålar och bidrog med teknik, detectorutveckling och stora forskningssamarbeten.

Acceleratorer och stora upptäckter

Fermilabs Tevatron var en landmärke för partikelacceleratorn; med en omkrets på 6,3 km var den världens näst största partikelaccelerator (CERN:s Large Hadron Collider har en omkrets på 27 km), tills den stängdes ner den 30 september 2011. Tevatron var under lång tid världsledande vad gäller kolliderande proton‑ och antiprotonstrålar och möjliggjorde viktiga mätningar av Standardmodellens partiklar. År 1995 meddelade två grupper vid Fermilab (CDF och DØ, detektorer som använder Tevatron) att de hade upptäckt toppkvarken, en av de mest betydelsefulla upptäckterna från anläggningen.

Utöver Tevatron består Fermilabs acceleratorområde av en linjäraccelerator (linac), en Booster, Main Injector och Recycler — tillsammans bildar dessa en komplex kedja som levererar högintensiva protonstrålar till experiment. Main Injector byggdes bland annat för att ge kraftigare strålar till neutrinoexperiment och andra fasta mål‑studier. Efter Tevatron‑nedstängningen har fokus för laboratoriet i allt större utsträckning legat på högintensiva strålar och neutrino‑forskning samt utveckling av framtida acceleratorer.

Neutrino‑programmet och andra experiment

Förutom fysik i högenergikollidorer är Fermilab också värd för ett antal mindre experiment med fasta mål och neutrinoexperiment, t.ex. MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) och MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). MiniBooNE‑detektorn är en sfär med en diameter på 12 m (40 fot) som innehåller 800 ton mineralolja som är fodrad med 1520 enskilda fotorördetektorer. Uppskattningsvis 1 miljon neutrinohändelser registreras varje år. SciBooNE är det nyaste neutrinoexperimentet vid Fermilab. Det befinner sig i samma neutrinostråle som MiniBooNE men har en finkornig spårningskapacitet. MINOS‑experimentet använder Fermilabs NuMI‑stråle (Neutrinos at the Main Injector), som är en intensiv neutrinostråle som färdas 732 km genom jorden till Soudan‑gruvan i Minnesota.

Under 2010‑talet utökades Fermilabs neutrinoprogram med nya anläggningar och experiment, bland annat avläggare till NuMI, kortbasprogram (Short‑Baseline Neutrino program) och projekten MicroBooNE, NOvA och andra som söker att mäta neutrinooscillationer, söka efter sterila neutriner och förbättra förståelsen av neutrinointeraktioner. Dessa experiment gör Fermilab till ett världsledande centrum för neutrinoforskning.

Teknik, databehandling och internationellt samarbete

Fermilab utvecklar avancerad detektorteknik (t.ex. spårningssystem, kalorimetrar och kryoteknik för flytande argon‑detektorer) och är en viktig nod i den globala databehandlingsinfrastrukturen för partikeldata. Laboratoriet samarbetar med universitet och forskningsinstitut över hela världen, både vad gäller byggnation av instrument och gemensamma analysprojekt. Efter Tevatron har Fermilab också bidragit till teknikutveckling för framtida linjär‑ och cirkulära acceleratorer.

Natur, miljö och outreach

En stor bit mark har reserverats för Fermilab, men mycket av utrustningen finns under jord. Forskarna på Fermilab beslutade att använda markytan som ett experiment för att återställa Illinois ursprungliga prärie. De startade också en gård för att föda upp al besättning av amerikanska bisonhundar. Fermilab Nature Areas är en separat ideell grupp som administrerar dessa program och ansvarar för naturrestaurering, biologisk mångfald och pedagogiska aktiviteter. Anläggningen erbjuder dessutom guidningar, skolprogram och föreläsningar för allmänheten för att öka intresset för naturvetenskap och teknik.

Asteroiden 11998 Fermilab har fått sitt namn för att hedra laboratoriet.

Betydelse och framtid

Fermilab fortsätter att vara en central institution inom partikel‑ och neutrino‑forskning, med starkt fokus på högintensiva strålar, avancerade detektorer och internationella samarbeten. Laboratoriets kombination av stora experiment, teknikutveckling, databehandling och naturbevarande gör det till ett mångfacetterat centrum för både vetenskaplig forskning och samhällsengagemang.