Fermilab: USAs laboratorium for partikelfysik og neutrinoeksperimenter
Fermilab — USAs førende laboratorium for partikelfysik og banebrydende neutrinoeksperimenter (Tevatron, MINOS, MiniBooNE). Opdag topkvarken og fremtidens forskning.
Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), der ligger lige uden for Batavia, Illinois, nær Chicago, er et nationalt laboratorium under det amerikanske energiministerium, der har specialiseret sig i partikelfysik med høj energi. Laboratoriet blev grundlagt i 1967 og blev senere opkaldt til ære for fysikeren Enrico Fermi. Fra den 1. januar 2007 drives Fermilab af Fermi Research Alliance, et joint venture mellem University of Chicago, Illinois Institute of Technology og Universities Research Association (URA). Fermilab er desuden en del af Illinois Technology and Research Corridor og fungerer som et centralt knudepunkt for store nationale og internationale forskningssamarbejder.
Historie og acceleratorer
Fermilabs Tevatron var en skelsættende partikelaccelerator; med sine 6,3 km i omkreds var den verdens næststørste energipartikelaccelerator (CERN's Large Hadron Collider er 27 km i omkreds). Tevatronen var i drift i årtier og bidrog til mange vigtige målinger inden for højenergifysik, indtil den blev lukket ned den 30. september 2011. I 1995 meddelte to hold på Fermilab (CDF og DØ, detektorer der anvendte Tevatron), at de havde opdaget topkvarken. Efter Tevatronens nedlukning skiftede Fermilab i højere grad fokus mod "intensity frontier" – især neutrinofysik – samtidig med at laboratoriet fortsatte udvikling og drift af avancerede acceleratorer (linac, Booster, Main Injector m.fl.) og arbejder med opgraderinger som PIP-II for at levere stærkere protonstråler til fremtidige eksperimenter.
Neutrino- og andre eksperimenter
Ud over højenergikollisionsfysik huser Fermilab en bred vifte af faste-måls- og neutrinoeksperimenter. Historiske og nulevende programmer omfatter blandt andre MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) og MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). MiniBooNE-detektoren er en kugle med en diameter på 12 m (40 fod), som indeholder 800 tons mineralolie og er foret med 1520 individuelle fotorørdetektorer; det anslås, at der hvert år registreres omkring 1 million neutrinohændelser. SciBooNE var et finkornet sporingsdetektor-experiment i samme neutrinostråle som MiniBooNE, designet til at studere neutrinointeraktioner i detaljer. MINOS-eksperimentet brugte Fermilabs NuMI-stråle (Neutrinos at the Main Injector), en intens neutrinostråle, der bevægede sig 732 km gennem Jorden til Soudan-minen i Minnesota, hvor et fjerndetektorstudie søgte oscillerende neutrinoeffekter.
Siden da er Fermilabs neutrinoprogram vokset betydeligt. Eksempler på nyere og igangværende projekter omfatter NOvA, MicroBooNE og det samlede korte-baseline-program (inklusive SBND og ICARUS) samt forberedelser og byggeri til det ambitiøse internationale DUNE-eksperiment (Deep Underground Neutrino Experiment) og værtsfaciliteten LBNF (Long-Baseline Neutrino Facility). DUNE planlægger at sende en intens neutrinostråle fra Fermilab mod dybtliggende detektorer i Sanford Underground Research Facility i South Dakota over en baselængde på cirka 1.300 km. Disse projekter kræver kraftigere protonacceleratorer og infrastrukturoppgraderinger, hvor PIP-II spiller en central rolle.
Udover neutrinofysik er Fermilab også vært for andre fremtrædende eksperimenter, f.eks. muon g−2, som målte den anomaløse magnetiske dipolmoment af muonen og rapporterede resultater, der sammen med teoretiske beregninger har tiltrukket stor opmærksomhed. Der arbejdes også på Mu2e (søgning efter muon-til-elektron-konvertering uden neutrinoer) og en række R&D-projekter inden for accelerator- og detektorteknologi. Fermilab bidrager endvidere med ekspertise og udstyr til internationale samarbejder som f.eks. CMS ved CERN.
Forskning, infrastruktur og formidling
Fermilab rummer avancerede laboratoriefaciliteter inden for acceleratorfysik, superconducting RF-teknologi, detektorudvikling og storstilet databehandling. Laboratoriet driver en betydelig computing-infrastruktur og deltager i internationale netværk til dataanalyse, som f.eks. Worldwide LHC Computing Grid for LHC-data. Fermilab har også omfattende uddannelses- og outreach-programmer: åbent hus, guidede ture, skoleprogrammer og ressourcer for både studerende og offentligheden.
Natur, arealer og kulturarv
Et stort stykke jord blev reserveret til Fermilab, og meget af laboratoriets tekniske udstyr ligger under jorden. I stedet for at bygge ud overalt valgte Fermilab-forskerne at genoprette store arealer til en rekonstruktion af Illinois' oprindelige prærie. De startede også en gård for at opdrætte en flok amerikanske bisoner, som i dag er et kendt og populært element på stedet. Fermilab Nature Areas er en separat nonprofit-gruppe, der administrerer restaureringsprojekter, naturstier og formidlingsaktiviteter for at bevare områdets biodiversitet og gøre naturen tilgængelig for besøgende.
Fermilab er både et centrum for topmoderne partikel- og neutrinoforskning og et sted med stærke forbindelser til lokalsamfund, uddannelse og naturbevarelse. Som en kuriositet er asteroiden 11998 Fermilab opkaldt til ære for laboratoriet.
En satellitvisning af Fermilab. De to cirkulære strukturer er Main Injector Ring (lille) og Tevatron (stor).
Historie
Mellem Anden Verdenskrig og 1960'erne finansierede den føderale regering forskellige partikelacceleratorer på konkurrerende universiteter for at opbygge eksperimenter inden for højenergifysik. De mest bemærkelsesværdige var Stanford Linear Accelerator (SLAC), som sendte partikler i en lige linje, Brookhaven National Laboratory ved SUNY Stoney Brook og Cornell University Synchrotron, som sendte partikler rundt i en cirkel, så de samme magneter kunne arbejde på partiklerne mange gange. I 1960'erne var omkostningerne ved at bygge større atomknusere for høje til at finansiere hvert enkelt campus, og størrelsen af ringen til den næste cirkulære accelerator ville være for stor til at passe på et eksisterende universitetscampus. Så den føderale regering besluttede at starte et nyt sted, som skulle drives af fysikere fra flere universiteter. De afholdt en konkurrence for at vælge et sted, men politikerne kæmpede for, at det skulle være i Illinois.
Weston, Illinois var et samfund ved siden af Batavia. Det var en underafdeling med præfabrikerede huse, der blev startet i begyndelsen af 1960'erne. Salget gik meget langsomt, så bygherrerne forsøgte at tiltrække Fermilab som en ny arbejdsgiver i udkanten af den nye by. Det viste sig imidlertid, at den nødvendige mængde jord ville opsluge hele byen. Så byen stemte for at sælge al jorden, herunder de huse, der var blevet bygget, til Fermilab. Byen blev derefter opløst.
Laboratoriet blev grundlagt i 1967 som National Accelerator Laboratory; det blev omdøbt til ære for Enrico Fermi i 1974. Laboratoriets første direktør var Robert Rathbun Wilson. Wilson har lavet mange af de skulpturer, der findes på campus. Han tilskrives ansvaret for, at det blev færdigt før tid og under budgettet. Den høje laboratoriebygning på stedet, hvis unikke form er blevet symbolet for Fermilab, er opkaldt til hans ære og er centrum for aktiviteterne på campus.
Inden de nye bygninger kunne stå færdige, flyttede forskerne ind i Weston-husene og flyttede også alle gårdhusene på Fermilab til dette sted for at bruge dem som kontorlokaler. De omdøbte Weston til "Fermilab Village". Den huser stadig gæsteforskere.
Wilson hentede det hold, der havde bygget Cornell-synkrotronen, til at hjælpe med at bygge den oprindelige 200 GeV-accelerator. To vigtige opfindelser gjorde denne accelerator forældet: superledende magneter og anvendelse af den samme acceleratorring til at sende to grupper af partikler rundt i modsatte retninger, så de ved kollisionen har dobbelt så meget energi.
Efter at Wilson trak sig tilbage i 1978 i protest mod den manglende finansiering af laboratoriet, overtog Leon M. Lederman jobbet. Det var under hans ledelse, at den oprindelige accelerator blev erstattet med Tevatron-acceleratoren. Den nye accelerator var i stand til at kollidere protoner og antiprotoner ved en kombineret energi på 1,96 TeV. Lederman trak sig tilbage i 1988 og er fortsat direktør emeritus. Det videnskabelige undervisningscenter på stedet (som betjener studerende og offentligheden) blev opkaldt til hans ære.
Fra 1988 til 1998 blev laboratoriet ledet af John Peoples. Fra dette tidspunkt og indtil den 30. juni 2005 blev laboratoriet ledet af Michael S. Witherell. Den 19. november 2004 blev Piermaria Oddone, tidligere leder af Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien, annonceret som Fermilabs nye direktør. Oddone begyndte sin embedsperiode som direktør den 1. juli 2005.
Fermilab deltager fortsat i arbejdet i LHC, herunder som Tier 1-sted i Worldwide LHC Computing Grid. Staten Illinois finansierer en ny bygning i Illinois Accelerator Research Center på Fermilab til forskere og industripartnere.
Robert Rathbun Wilson Hall
Acceleratorer
Det første trin i accelerationsprocessen foregår i Cockcroft-Walton-generatoren. Det indebærer, at man tager brintgas og omdanner den til H-ioner ved at indføre den i en beholder, der er foret med molybdænelektroder: en oval katode på størrelse med en tændstikæske og en omgivende anode, der er adskilt med 1 mm og holdes på plads af glaskeramiske isolatorer. En magnetron anvendes til at generere et plasma, der danner H- nær metaloverfladen. Cockcroft-Walton-generatoren tilfører et 750 keV elektrostatisk felt, og ionerne accelereres ud af beholderen. Det næste trin er den lineære accelerator (eller linac), som accelererer partiklerne til 400 MeV eller ca. 70 % af lysets hastighed. Lige før de kommer ind i den næste accelerator, passerer H-ionerne gennem en kulstoffolie og bliver til H+-ioner (protoner).
Det næste trin er forstærkningsringen. Booster-ringen er en 468 m lang cirkulær accelerator, der bruger magneter til at bøje protonstråler i en cirkulær bane. De protoner, der kommer fra Linac, rejser omkring 20 000 gange rundt i boosterringen på 33 millisekunder, så de gentagne gange oplever elektriske felter. Ved hver omdrejning opsamler protonerne mere energi og forlader Booster med 8 GeV. Main Injector er det næste led i acceleratorkæden. Den stod færdig i 1999 og er blevet Fermilabs "partikelskifteplads" med tre funktioner: den accelererer protoner, den leverer protoner til antiprotonproduktion, og den accelererer antiprotoner, der kommer fra antiprotonkilden. Den sidste accelerator var Tevatron. Det var den næststærkeste partikelaccelerator i verden (CERN's Large Hadron Collider er den kraftigste). Protoner og antiprotoner rejser næsten med lysets hastighed og cirkler rundt i Tevatron i modsatte retninger. Fysikerne koordinerer strålerne, så de kolliderer i midten af to 5 000 tons-detektorer DØ og CDF inde i Tevatron-tunnelen ved energier på 1,96 TeV, hvilket afslører materiens tilstand i det tidlige univers og dets struktur i den mindste skala. Tevatronen er ved at blive omdannet til et museum.
Den lineære accelerator har også en medicinsk behandlingsfacilitet. Lægerne behandler kræftpatienter ved at skyde protoner eller neutroner fra acceleratoren ind i deres tumorer.
Fermilab's acceleratorringe
Eksperimenter
- Holometer-interferometer
- Tevatron proton-antiproton collider: DØ og Collider Detector på Fermilab
- MiniBooNE: Mini Booster Neutrino Eksperiment
- Sciboone: SciBar Booster Neutrino-eksperiment
- MINOS: Søgning efter neutrinosvingninger i hovedinjektoren
- MINERνA: Hovedinjektorforsøg med νs på As
- NOνA: NuMI Off-axis νe Udseende
- MIPP: Hovedinjektorpartikelproduktion
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er Fermi National Accelerator Laboratory?
A: Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) er et nationalt laboratorium under det amerikanske energiministerium med speciale i højenergipartikelfysik.
Sp: Hvem driver Fermilab?
A: Fra den 1. januar 2007 drives Fermilab af Fermi Research Alliance, et joint venture mellem University of Chicago, Illinois Institute of Technology og Universities Research Association (URA).
Spørgsmål: Hvad blev Tevatron-partikelacceleratoren brugt til?
A: Tevatron-partikelacceleratoren blev brugt til at opdage topkvarken og udføre eksperimenter med højenergikollisionsfysik.
Spørgsmål: Hvilke andre typer eksperimenter udføres der på Fermilab?
A: Ud over højenergikollisionsfysik er Fermilab også vært for mindre eksperimenter med faste mål og neutrinoeksperimenter såsom MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) og MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search).
Spørgsmål: Hvor stor er MiniBooNE-detektoren?
A: MiniBooNE-detektoren er en kugle med en diameter på 12 m (40 fod), som indeholder 800 tons mineralolie foret med 1520 individuelle fotorørdetektorer.
Spørgsmål: Hvor langt rejser NuMI-strålen fra Fermilab?
A: NuMI-strålen rejser 732 km fra Fermilab til Soudan-minen i Minnesota.
Spørgsmål: Hvilke programmer har Fermilab iværksat på sin jordoverflade?
A: Fermilab har på sit landareal startet et forsøg med at genoprette Illinois' oprindelige prærie samt en gård med henblik på at opdrætte en flok amerikanske bisoner.
Søge