Fermilab – USA:s nationella laboratorium för partikel- och neutrinoforskning
Fermilab — USA:s ledande nationella laboratorium för partikel- och neutrinoforskning i Illinois. Upptäck banbrytande acceleratorer, neutrinoexperiment och prärievård.
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.
En satellitbild av Fermilab. De två cirkulära strukturerna är Main Injector Ring (liten) och Tevatron (stor).
Historia
Mellan andra världskriget och 1960-talet finansierade den federala regeringen olika partikelacceleratorer vid konkurrerande universitet för att bygga experiment inom högenergifysik. De mest anmärkningsvärda var Stanford Linear Accelerator (SLAC), som skickade partiklar i en rak linje, Brookhaven National Laboratory vid SUNY Stoney Brook och Cornell University synkrotron, som skickade partiklar runt i en cirkel för att samma magneter skulle arbeta på partiklarna många gånger. På 1960-talet var kostnaderna för att bygga större atomkrossare för höga för att finansiera varje enskilt campus, och storleken på ringen för nästa cirkulära accelerator skulle vara för stor för att rymmas på ett befintligt universitetsområde. Så den federala regeringen beslutade att starta en ny plats som skulle drivas av fysiker från flera universitet. De anordnade en tävling för att välja en plats, men politikerna kämpade för att den skulle ligga i Illinois.
Weston, Illinois var ett samhälle intill Batavia. Det var en underavdelning med prefabricerade hus som startades i början av 1960-talet. Försäljningen gick mycket trögt, så markutvecklarna försökte locka Fermilab att bli en ny arbetsgivare i utkanten av den nya staden. Det visade sig dock att den mängd mark som behövdes skulle svälja hela staden. Så staden röstade för att sälja all mark, inklusive de hus som hade byggts, till Fermilab. Staden upplöstes sedan.
Laboratoriet grundades 1967 som National Accelerator Laboratory och döptes 1974 om till Enrico Fermis ära. Laboratoriets första direktör var Robert Rathbun Wilson. Wilson gjorde många av skulpturerna på campus. Han tillskrivs ansvaret för att det blev färdigt i tid och under budget. Den höga laboratoriebyggnaden på platsen, vars unika form har blivit symbolen för Fermilab, är uppkallad efter honom och är centrum för verksamheten på campus.
Innan de nya byggnaderna var klara flyttade forskarna in i Weston-husen och flyttade även alla gårdshus på Fermilab till den platsen för att användas som kontorsutrymmen. De döptes om Weston till "Fermilab Village". Här bor fortfarande gästforskare som är på besök.
Wilson tog in det team som hade byggt Cornell-synkrotronen för att hjälpa till att bygga den ursprungliga 200 GeV-acceleratorn. Två viktiga uppfinningar gjorde denna accelerator föråldrad: supraledande magneter och användning av samma acceleratorring för att skicka två grupper av partiklar i motsatta riktningar så att de skulle ha dubbelt så mycket energi när de kolliderar.
När Wilson avgick 1978 i protest mot bristen på finansiering av laboratoriet tog Leon M. Lederman över jobbet. Det var under hans ledning som den ursprungliga acceleratorn ersattes med Tevatronacceleratorn. Den nya acceleratorn kunde kollidera protoner och en antiproton med en kombinerad energi på 1,96 TeV. Lederman avgick 1988 och är fortfarande direktör emeritus. Centret för vetenskaplig utbildning på plats (som betjänar studenter och allmänheten) har fått sitt namn till hans ära.
Från 1988 till 1998 leddes laboratoriet av John Peoples. Från och med den tiden till den 30 juni 2005 leddes laboratoriet av Michael S. Witherell. Den 19 november 2004 tillkännagavs Piermaria Oddone, tidigare vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien, som Fermilabs nyaste direktör. Oddone började sin mandatperiod som direktör den 1 juli 2005.
Fermilab fortsätter att delta i arbetet vid LHC, bland annat som en Tier 1-anläggning i Worldwide LHC Computing Grid. Delstaten Illinois finansierar en ny byggnad för Illinois Accelerator Research Center vid Fermilab för forskare och industripartner.
Robert Rathbun Wilson Hall
Acceleratorer
Det första steget i accelerationsprocessen sker i Cockcroft-Walton-generatorn. Det innebär att man tar vätgas och omvandlar den till H-joner genom att föra in den i en behållare som är fodrad med molybdenelektroder: en oval katod i storlek av en tändsticksask och en omgivande anod, separerade med 1 mm mellan varandra och hållna på plats av glaskeramiska isolatorer. En magnetron används för att generera ett plasma som bildar H- nära metallytan. Ett elektrostatiskt fält på 750 keV appliceras av Cockcroft-Walton-generatorn och jonerna accelereras ut ur behållaren. Nästa steg är linjäracceleratorn (eller linac), som accelererar partiklarna till 400 MeV, eller cirka 70 % av ljusets hastighet. Precis innan de går in i nästa accelerator passerar H-jonerna genom en kolfolie och blir till H+-joner (protoner).
Nästa steg är förstärkningsringen. Boosterringen är en cirkulär accelerator med en omkrets på 468 meter som använder magneter för att böja protonstrålar i en cirkelformad bana. Protoner som kommer från Linac reser runt boosterringen cirka 20 000 gånger på 33 millisekunder så att de upprepade gånger upplever elektriska fält. Med varje varv samlar protonerna in mer energi och lämnar Booster med 8 GeV. Main Injector är nästa länk i acceleratorkedjan. Den färdigställdes 1999 och har blivit Fermilabs "partikelväxelstation" med tre funktioner: den accelererar protoner, den levererar protoner för antiprotonproduktion och den accelererar antiprotoner som kommer från antiprotonkällan. Den sista acceleratorn var Tevatron. Det var den näst kraftfullaste partikelacceleratorn i världen (CERN:s Large Hadron Collider är den kraftfullaste). Protoner och antiprotoner som färdas med nästan ljusets hastighet cirklar runt Tevatron i motsatt riktning. Fysikerna samordnar strålarna så att de kolliderar i mitten av två 5 000 ton tunga detektorer DØ och CDF inne i Tevatron-tunneln vid energier på 1,96 TeV, vilket avslöjar förhållandena för materia i det tidiga universum och dess struktur på minsta möjliga skala. Tevatronen håller på att omvandlas till ett museum.
Den linjära acceleratorn har också en medicinsk behandlingsanläggning. Läkare behandlar människor med cancer genom att skjuta protoner eller neutroner från acceleratorn in i deras tumörer.
Fermilabs acceleratorringar
Experiment
- Holometer interferometer
- Tevatronproton-antiprotonkollideraren: DØ och Collider Detector vid Fermilab
- MiniBooNE: Mini Booster Neutrino Experiment
- Sciboone: SciBar Booster Neutrino Experiment
- MINOS: Sökning efter neutrinosvängningar i huvudinjektorn
- MINERνA: Huvudinjektor-experiment med νs på As
- NOνA: NuMI Off-axis νe Utseende
- MIPP: Produktion av partiklar från huvudinjektorn.
Frågor och svar
F: Vad är Fermi National Accelerator Laboratory?
S: Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) är ett nationellt laboratorium inom det amerikanska energidepartementet som specialiserar sig på högenergipartikelfysik.
F: Vem driver Fermilab?
S: 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).
F: Vad användes partikelacceleratorn Tevatron till?
S: Tevatron-partikelacceleratorn användes för att upptäcka toppkvarken och för att utföra fysikexperiment i högenergikollider.
F: Vilka andra typer av experiment utförs vid Fermilab?
S: Förutom kollisionsfysik med hög energi har Fermilab även mindre experiment med fasta mål och neutrinoexperiment som MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) och MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search).
F: Hur stor är MiniBooNE-detektorn?
S: 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.
F: Hur långt reser NuMI-strålen från Fermilab?
S: NuMI-strålen färdas 732 km från Fermilab till Soudan-gruvan i Minnesota.
F: Vilka program har Fermilab startat på sin markyta?
S: På sin markyta har Fermilab startat ett experiment för att återskapa Illinois ursprungliga prärie samt en gård för att föda upp en flock amerikanska bisonhundar.
Sök