Fermilab
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 osa Illinoisi tehnoloogia- ja teaduskoridorist.
Fermilabi Tevatron oli osakesekiirendi teerajaja, mis oli oma 6,3 km (3,9 miili) ümbermõõduga maailma suuruselt teine energiaga osakesekiirendi (CERNi suure hadronite põrguti ümbermõõt on 27 km), kuni see 30. septembril 2011. aastal suleti. 1995. aastal teatasid kaks Fermilabori meeskonda (CDF ja DØ, detektorid, mis kasutavad Tevatronit) tippkvarki avastamisest.
Lisaks suure energiaga kokkupõrkefüüsikale on Fermilabis ka mitmeid väiksemaid fikseeritud sihtmärgiga ja neutriinoeksperimente, nagu MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) ja MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). MiniBooNE detektor on 12 m (40 jalga) läbimõõduga kera, mis sisaldab 800 tonni mineraalõli, mis on vooderdatud 1520 üksiku fototoruga detektoriga. Igal aastal registreeritakse hinnanguliselt 1 miljon neutriinosündmust. SciBooNE on Fermilabi uusim neutriinoeksperiment; see asub samas neutriinokihis nagu MiniBooNE, kuid sellel on peene jälgimise võimalused. MINOS eksperiment kasutab Fermilabi NuMI (Neutrinos at the Main Injector) kiirt, mis on intensiivne neutriinokiir, mis liigub 455 miili (732 km) läbi Maa Minnesotas asuvasse Soudani kaevandusse.
Fermilabile reserveeriti suur maa-ala, kuid suur osa seadmetest on maa all. Fermilabi teadlased otsustasid kasutada maapinda eksperimendina Illinoisi algse preeria taastamiseks. Nad alustasid ka farmi, et kasvatada al kari Ameerika piisonid. Fermilab Nature Areas on eraldi mittetulundusühing, mis haldab neid programme.
Asteroid 11998 Fermilab on nimetatud labori auks.
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.
