Fermilab

Történelem

A második világháború és az 1960-as évek között a szövetségi kormány különböző, egymással versengő egyetemeken működő részecskegyorsítókat finanszírozott nagyenergiájú fizikai kísérletek kiépítésére. A legjelentősebbek a Stanford Lineáris Gyorsító (SLAC), amely egyenes vonalban küldte a részecskéket, a SUNY Stoney Brook-i Brookhaven Nemzeti Laboratórium és a Cornell Egyetem szinkrotronja, amely körbe-körbe küldte a részecskéket, hogy ugyanazok a mágnesek többször is dolgozzanak a részecskéken. Az 1960-as évekre a nagyobb atomszétvágók építésének költségei túl magasak voltak ahhoz, hogy minden egyes egyetemi campuson finanszírozni lehessen, és a következő körkörös gyorsító gyűrű mérete túl nagy lett volna ahhoz, hogy egy meglévő egyetemi campuson elférjen. Ezért a szövetségi kormány úgy döntött, hogy egy új helyszínt indít, amelyet több egyetem fizikusai működtetnének. Versenyt hirdettek a helyszín kiválasztására, de a politikusok kiharcolták, hogy az Illinois államban legyen.

Az illinois-i Weston egy Batavia melletti közösség volt. Az 1960-as évek elején kezdték el építeni az előre gyártott házakból álló részleget. Az eladások nagyon lassan haladtak, ezért a telekfejlesztők megpróbálták a Fermilabot az új város szélén lévő új munkaadónak megnyerni. Kiderült azonban, hogy a szükséges földterület elnyelte volna az egész várost. Így a város megszavazta, hogy az összes földet, beleértve a felépített házakat is, eladják a Fermilabnak. A város ezután feloszlott.

A laboratóriumot 1967-ben alapították Nemzeti Gyorsító Laboratórium néven; 1974-ben Enrico Fermi tiszteletére átnevezték. A laboratórium első igazgatója Robert Rathbun Wilson volt. Wilson készítette a campuson található szobrok nagy részét. Neki tulajdonítják, hogy az idő előtt és a költségvetés alatt készült el. Az ő tiszteletére nevezték el a helyszínen található magas laboratóriumi épületet, amelynek egyedi formája a Fermilab jelképévé vált, és amely a campus tevékenységének központja.

Mielőtt az új épületek elkészültek volna, a tudósok beköltöztek a Weston-házakba, és a Fermilab összes farmházát is átköltöztették oda, hogy irodahelyiségként használják. Westont átnevezték "Fermilab Village"-re. Még mindig vendég tudósoknak ad otthont.

Wilson a Cornell szinkrotron építésével foglalkozó csapatot hívta segítségül az eredeti 200 GeV-os gyorsító megépítéséhez. Két fontos találmány tette elavulttá ezt a gyorsítót: a szupravezető mágnesek és ugyanazon gyorsító gyűrű használata két részecskecsoport ellentétes irányú körbeküldésére, hogy az ütközéskor kétszer akkora energiát kapjanak.

Miután Wilson 1978-ban lemondott, hogy tiltakozzon a laboratórium finanszírozásának hiánya miatt, Leon M. Lederman vette át a munkát. Az ő irányítása alatt cserélték le az eredeti gyorsítót a Tevatron gyorsítóra. Az új gyorsító 1,96 TeV együttes energiájú proton és antiproton ütköztetésére volt képes. Lederman 1988-ban lemondott, és továbbra is tiszteletbeli igazgató. Az ő tiszteletére nevezték el a helyszíni tudományos oktatási központot (amely a diákokat és a nagyközönséget szolgálja).

1988-tól 1998-ig a laboratóriumot John Peoples vezette. Ettől kezdve 2005. június 30-ig Michael S. Witherell vezette a laboratóriumot. 2004. november 19-én Piermaria Oddone-t, a kaliforniai Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium korábbi igazgatóját jelentették be a Fermilab új igazgatójának. Oddone 2005. július 1-jén kezdte meg igazgatói megbízatását.

A Fermilab továbbra is részt vesz az LHC-ben folyó munkában, többek között a Worldwide LHC Computing Grid egyik Tier 1 helyszíneként. Illinois állam finanszírozza a Fermilab új Illinois-i Gyorsítókutatási Központ épületét a tudósok és ipari partnerek számára.

Robert Rathbun Wilson Hall

Gyorsítók

A gyorsítási folyamat első szakasza a Cockcroft-Walton-generátorban zajlik. Ennek során hidrogéngázt veszünk, és H-ionokká alakítjuk egy molibdénelektródákkal bélelt tartályba vezetve: egy gyufásdoboz méretű, ovális alakú katódot és egy körülötte lévő anódot, amelyeket 1 mm távolság választ el egymástól, és üvegkerámia szigetelők tartanak a helyükön. Egy magnetron segítségével plazmát generálunk, hogy a fémfelület közelében H- képződjön. A Cockcroft-Walton-generátor 750 keV-os elektrosztatikus mezőt alkalmaz, és az ionok felgyorsulnak a tartályból. A következő lépés a lineáris gyorsító (vagy linac), amely a részecskéket 400 MeV-ra, vagyis a fénysebesség kb. 70%-ára gyorsítja. Közvetlenül a következő gyorsítóba való belépés előtt a H- ionok egy szénfólián haladnak át, és H+ ionokká (protonokká) alakulnak.

A következő lépés az emlékeztető gyűrű. A gyorsítógyűrű egy 468 m kerületű, kör alakú gyorsító, amely mágnesek segítségével körkörös pályára hajlítja a protonnyalábokat. A Linacból érkező protonok 33 milliszekundum alatt mintegy 20 000-szer kerülik meg a Booster-gyűrűt, így ismételten elektromos mezőkkel találkoznak. Minden egyes fordulóval a protonok több energiát vesznek fel, és 8 GeV energiával hagyják el a Boostert. A Main Injector a gyorsító lánc következő láncszeme. Az 1999-ben elkészült, és a Fermilab "részecskeközpontjává" vált, amelynek három funkciója van: protonokat gyorsít, protonokat szállít az antiproton-előállításhoz, és az antiproton-forrásból érkező antiprotonokat gyorsítja. Az utolsó gyorsító a Tevatron volt. Ez volt a világ második legerősebb részecskegyorsítója (a CERN nagy hadronütköztetője a legerősebb). A közel fénysebességgel haladó protonok és antiprotonok ellentétes irányban keringenek a Tevatronban. A fizikusok úgy hangolják össze a sugarakat, hogy azok a Tevatron alagútjában lévő két 5000 tonnás detektor, a DØ és a CDF középpontjában 1,96 TeV energiával ütközzenek, és így a legapróbb léptékben is feltárják a korai világegyetem anyagának feltételeit és szerkezetét. A Tevatront múzeummá alakítják át.

A lineáris gyorsító egy orvosi kezelőberendezéssel is rendelkezik. Az orvosok a rákos betegeket úgy kezelik, hogy a gyorsítóból protonokat vagy neutronokat lőnek a daganatukba.

A Fermilab gyorsító gyűrűi

Kísérletek

• Holométer interferométer
• Tevatron proton-antiproton ütköztető: DØ és az ütköztető detektor a Fermilabban
• MiniBooNE: Mini Booster Neutrino Kísérlet
• Sciboone: SciBar Booster Neutrino kísérlet
• MINOS: Fő injektor neutrínó oszcillációs keresés
• MINERνA: Fő injektoros kísérlet νs on As-val
• NOνA: NuMI Off-axis νe megjelenése
• MIPP: fő injektor részecske-termelés