Fermilab: USA riiklik osakeste- ja neutriinouuringute labor
Fermilab — USA juhtiv osakeste- ja neutriinouuringute labor Chicago lähedal, Tevatroni pärand, tipptasemel eksperimendid (MINOS, MiniBooNE) ja maailmatasemel avastused.
Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), mis asub Chicago lähedal Batavias, Illinoisi osariigis, on USA energeetikaministeeriumi riiklik laboratoorium, mis on spetsialiseerunud kõrge energiaosakeste füüsikale. Alates 1. jaanuarist 2007 haldab Fermilabi Fermi Research Alliance, mis on Chicago ülikooli, Illinoisi tehnoloogiainstituudi ja ülikoolide teadusassotsiatsiooni (URA) ühisettevõte. Fermilab on oluline osa Illinoisi teadus- ja tehnoloogiapõhisest koridorist ning rahvusvaheliselt tuntud teaduskompleks.
Roll ja ajalugu
Fermilab loodi 1960. aastate lõpus suure energiaga osakeste kiirendamise ja uurimise keskuseks. Selle eesmärk oli arendada võimekust katseliseks uurimiseks, mis aitaks mõista aine põhistruktuuri, osakeste muutumisprotsesse ja fundamentaalseid loodusseadusi. Laboratoorium on tuntud nii suuremate kiirendite ja detektorite kui ka neutriinode ja muude inimtekkeliste kiirtega tehtavate eksperimentide poolest.
Tevatron – ajalooline osakeste kiirendi
Fermilabi Tevatron oli pikaaegne tippsaavutuse näide: see oli osakesekiirendi, mille ümbermõõt oli 6,3 km (3,9 miili) ning mis kuni sulgemiseni oli maailma suuruselt teine hadronite põrguti (CERNi suure hadronite põrguti ümbermõõt on 27 km). Tevatron lõpetas töö 30. septembril 2011. aastal. Selle tippajal võimaldas Tevatron läbimurdeid elementaarosakeste uuringutes — 1995. aastal teatasid kaks Fermilabori meeskonda (CDF ja DØ, mõlemad olid Tevatroni juures kasutatud detektorid) tippkvarki avastamisest, mis oli oluline samm Standardmudeli kinnitamisel.
Neutriino- ja fikseeritud sihtmärgiga eksperimendid
Lisaks suure energiaga kokkupõrkefüüsikale toetab Fermilab ulatuslikku neutriinouuringute programmi. Näideteks on:
- MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment) – detektor on 12 m (40 jalga) läbimõõduga kera, mis sisaldab umbes 800 tonni mineraalõli ja on varustatud 1520 üheikese fototoruga. MiniBooNE registreerib igal aastal hinnanguliselt ~1 miljon neutriinosündmust ning on uurinud neutriinode osakestefüüsikat ja võimalikku uut füüsikat.
- SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) – paikneb samas neutriinokihis nagu MiniBooNE, pakkudes peenemaid jälgimisvõimalusi ja aidates täpsustada neutriinointeraktsioonide omadusi madalamatel energiatel.
- MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) – kasutab Fermilabi NuMI (Neutrinos at the Main Injector) kiirt. See intensiivne neutriinokiir liigub umbes 455 miili (732 km) läbi Maa kuni Minnesotas asuva Soudani kaevanduse detektorini, võimaldades pika- ja lühimõõtmelisi võrdlusi neutriinoste läbimõõdu muutuste uurimiseks.
Lisaks neile on Fermilab seotud ka teiste pika-ajaliste programmidega nagu NOvA ning toetab rahvusvahelist koostööd suures ulatuses, näiteks valmistudes väga pika põhikoha neutriinoeksperimendi jaoks.
Tänapäeva projektid ja tulevikusuunad
Pärast Tevatroni sulgemist on Fermilab keskendunud neutriinodeuuringutele ja uute kiirendiinfrastruktuuride arendamisele. Olulised programmid hõlmavad NuMI ja sellega seotud katseid, samuti edasisi investeeringuid, nagu protoni parandamise ja moderniseerimise projektid (näiteks PIP-II), mis tõstavad Fermilabi suutlikkust toota intensiivseid prootonikiiri neutriinoeksperimentide jaoks. Fermilab osaleb ka rahvusvahelises koostöös väga suurte projektide arendamisel, et uurida neutriinode oscillatsioone, CP-rikkumist ja muid fundamentaalseid küsimusi.
Keskkond, haridus ja avalikkuse kaasamine
Fermilab on reserveerinud suure maa-ala ja osaliselt asuvad mitmed teaduslikud rajatised maa all. Laboratooriumi teadlased ja personal on teinud teadliku otsuse taastada osa Illinoisi algset preeriat ning luua looduslikke alasid ja haridusprogramme. Nad on alustanud karja taastamist Ameerika piisonid abil, et taastada preeria elustikku ja tutvustada kohalikku loodustuuri külastajatele. Fermilab Nature Areas on eraldi mittetulundusühing, mis haldab neid restauratsiooni- ja haridusprogramme ning koordineerib vabatahtlikke looduskaitseüritusi.
Laboratoorium panustab ka haridusse ja avalikkuse teadlikkusse läbi ekskursioonide, publikule suunatud programmide ning haridusliku keskuse kaudu — nii õpetajatele kui üliõpilastele pakutakse praktilisi ja teoreetilisi kursusi, et toetada teaduse populariseerimist ja järgmise põlvkonna teadlaste kasvatamist.
Muu huvitav
Asteroid 11998 Fermilab on nime saanud labori auks, mis peegeldab Fermilabi rahvusvahelist tuntust teadusliku panuse ja avastuste tõttu.
Fermilab jätkab tööd nii põhiküsimuste lahendamisel osakestefüüsikas kui ka teenuste ja tehnoloogiate arendamisel, mis toetavad laialdast teaduskoostööd ja haridust kogu maailmas.
Fermilabi satelliitvaade. Kaks ringikujulist struktuuri on Main Injector Ring (väike) ja Tevatron (suur).
Ajalugu
Teise maailmasõja ja 1960ndate vahel rahastas föderaalvalitsus konkureerivate ülikoolide erinevaid osakeste kiirendeid, et ehitada kõrge energiaga füüsika eksperimente. Tähtsamad olid Stanfordi lineaarkiirendi (SLAC), mis saatis osakesi sirgjooneliselt, Brookhaveni riiklik laboratoorium SUNY Stoney Brookis ja Cornelli ülikooli sünkrotron, mis saatis osakesi ringi, et samad magnetid töötaksid osakestega mitu korda. 1960. aastateks olid suuremate aatomipurustite ehitamise kulud liiga suured, et rahastada iga üksikut ülikoolilinnakut, ja järgmise ringikujulise kiirendi suurus oleks liiga suur, et see mahuks olemasolevasse kolledži ülikoolilinnakusse. Nii otsustas föderaalvalitsus luua uue asukoha, mida hakkaksid juhtima mitme ülikooli füüsikud. Nad korraldasid konkursi asukoha valimiseks, kuid poliitikud võitlesid selle eest, et see asuks Illinoisi osariigis.
Weston, Illinois oli Batavia kõrval asuv kogukond. See oli 1960. aastate alguses alustatud kokkupandavate majade rajoon. Müük oli väga aeglane, nii et maa arendajad püüdsid meelitada Fermilab'i uueks tööandjaks uue linna servale. Siiski selgus, et vajaminev maa-ala neelaks ära kogu linna. Seega hääletas linn kogu maa, sealhulgas ehitatud majad, Fermilabile maha müüa. Seejärel lahustati linn.
Laboratoorium asutati 1967. aastal riikliku kiirenduslaboratooriumina; 1974. aastal nimetati see ümber Enrico Fermi auks. Labori esimene direktor oli Robert Rathbun Wilson. Wilson valmistas paljud ülikoolilinnakus olevad skulptuurid. Talle omistatakse, et see valmis enne tähtaega ja alla eelarve. Tema auks on nime saanud kõrghoone, mille ainulaadne kuju on saanud Fermilabi sümboliks, ja see on ülikooli tegevuse keskus.
Enne uute hoonete valmimist kolisid teadlased Westoni majadesse ja viisid ka kõik Fermilabi talumajapidamised sinna, et neid saaks kasutada kontoripindadena. Nad nimetasid Westoni ümber "Fermilab Village'iks". Seal elavad endiselt külalisteadlased.
Wilson tõi Cornelli sünkrotroni ehitanud meeskonna, et aidata ehitada esialgset 200 GeV kiirendit. Kaks olulist leiutist tegid selle kiirendi iganenuks: ülijuhtivad magnetid ja sama kiirendusrõnga kasutamine, et saata kaks osakeste rühma vastassuunas, nii et kokkupõrkel oleks neil kaks korda suurem energia.
Kui Wilson 1978. aastal laboratooriumi rahastamise puudumise tõttu tagasi astus, võttis Leon M. Lederman selle töö üle. Tema juhtimisel asendati algne kiirendi Tevatroni kiirendiga. Uus kiirendi oli võimeline põrgatama prootoneid ja antiprootoneid kokku 1,96 TeV energia juures. Lederman lahkus ametist 1988. aastal ja jäi emeriitdirektoriks. Tema auks nimetati kohapeal asuv teadushariduskeskus (mis teenindab õpilasi ja avalikkust).
Aastatel 1988-1998 juhtis laborit John Peoples. Sellest ajast kuni 30. juunini 2005 juhtis laborit Michael S. Witherell. 19. novembril 2004 kuulutati Fermilabi uueks direktoriks Piermaria Oddone, kes töötas varem Lawrence Berkeley riiklikus laboratooriumis Californias. Oddone alustas oma ametiaega direktorina 1. juulil 2005.
Fermilab jätkab osalemist LHC töös, sealhulgas osaleb ta ülemaailmse LHC arvutivõrgu 1. tasandi objektina. Illinoisi osariik rahastab Fermilabis uut Illinois'i kiirendiuuringute keskuse hoonet teadlastele ja tööstuspartneritele.
Robert Rathbun Wilson Hall
Accelerators
Kiirendusprotsessi esimene etapp toimub Cockcroft-Waltoni generaatoris. See hõlmab vesinikgaasi võtmist ja selle muutmist H-ioonideks, sisestades selle molybdäänelektroodidega vooderdatud mahutisse: tikutoosisuurune ovaalne katood ja seda ümbritsev anood, mis on 1 mm kaugusel üksteisest ja mida hoiavad paigal klaaskeraamilised isolaatorid. Magnetroni kasutatakse plasma tekitamiseks, et tekitada H- metallipinna lähedal plasma. Cockcroft-Waltoni generaator rakendab 750 keV elektrostaatilist välja ja ioonid kiirendatakse konteinerist välja. Järgmine samm on lineaarkiirendi (või linakiirendi), mis kiirendab osakesed 400 MeV-ni ehk umbes 70% valguse kiirusest. Vahetult enne järgmisesse kiirendisse sisenemist läbivad H- ioonid süsinikfooliumi, muutudes H+ ioonideks (prootonideks).
Järgmine samm on võimendusrõngas. Boosterring on 468 m ümbermõõduga ringikujuline kiirendi, mis kasutab magnetite abil prootonikiirte painutamist ringikujulisel teel. Linacist tulevad prootonid liiguvad 33 millisekundi jooksul umbes 20 000 korda ümber Boosteri, nii et nad kogevad korduvalt elektrivälju. Iga pöörlemisega koguvad prootonid rohkem energiat ja lahkuvad Boosterist 8 GeV-ga. Peainjektor on järgmine lüli kiirendi ahelas. Sellest sai 1999. aastal valminud Fermilabi "osakeste vahetusjaam", millel on kolm funktsiooni: see kiirendab prootonid, annab prootonid antiprootonite tootmiseks ja kiirendab antiprootonite allikast tulevad antiprootonid. Viimane kiirendi oli Tevatron. See oli maailma suuruselt teine osakeste kiirendi (CERNi suur hadronite põrguti on kõige võimsam). Prootonid ja antiprootonid tiirlevad Tevatronis peaaegu valguse kiirusega vastassuunas. Füüsikud koordineerivad kiired nii, et need põrkuvad Tevatroni tunneli sees asuvate kahe 5000-tonnise detektori DØ ja CDF keskpunktides 1,96 TeV energiaga, paljastades varajase universumi ainetingimused ja selle struktuuri kõige väiksemas mõõtkavas. Tevatron muudetakse muuseumiks.
Lineaarkiirendis on ka meditsiinilise ravi rajatis. Arstid ravivad vähihaigeid, tulistades kiirendist prootonid või neutronid nende kasvajatesse.
Fermilabi kiirendusrõngad
Katsed
- Holomeeter-interferomeeter
- Tevatroni prooton-antiprotoni põrguti: DØ ja kolonnidetektor Fermilabis
- MiniBooNE: Mini Booster Neutrino eksperiment
- Sciboone: SciBar Booster Neutriino eksperiment
- MINOS: peainjektori neutriino-ostsillatsiooni otsing (Main Injector Neutrino Oscillation Search)
- MINERνA: peainjektori ekspeRiment koos νs kohta As
- NOνA: NuMI Off-axis νe ilmumine
- MIPP: peainjektori osakeste tootmine
Küsimused ja vastused
K: Mis on Fermi riiklik kiirenduslabor?
V: Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) on USA energeetikaministeeriumi riiklik labor, mis on spetsialiseerunud kõrge energiaga osakeste füüsikale.
K: Kes käitab Fermilabi?
V: Alates 1. jaanuarist 2007 haldab Fermilabi Fermi Research Alliance, mis on Chicago ülikooli, Illinoisi tehnoloogiainstituudi ja ülikoolide teadusassotsiatsiooni (URA) ühisettevõte.
K: Milleks kasutati Tevatroni osakeste kiirendit?
V: Tevatroni osakeste kiirendit kasutati tippkvarkide avastamiseks ja kõrge energiaga kokkupõrkefüüsika katsete läbiviimiseks.
K: Milliseid muid eksperimente tehakse Fermilabis?
V: Lisaks suure energiaga kokkupõrkefüüsikale toimuvad Fermilabis ka väiksemad fikseeritud sihtmärgiga ja neutriinoeksperimendid, nagu MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) ja MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search).
K: Kui suur on MiniBooNE detektor?
V: MiniBooNE detektor on 12 m (40 jalga) läbimõõduga kera, mis sisaldab 800 tonni mineraalõli, mis on vooderdatud 1520 üksiku fototoruga detektoriga.
K: Kui kaugele liigub NuMI kiir Fermilabist?
V: NuMI kiir läbib Fermilabist 732 km (455 miili) kuni Soudani kaevanduseni Minnesotas.
K: Milliseid programme on Fermilab alustanud oma maa-alal?
V: Fermilab on oma maa-alal alustanud eksperimenti Illinoisi algupärase preeria taastamiseks ning farmi Ameerika piisonikarja kasvatamiseks.
Otsige