Fermilab — Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium, amerikai részecskekutató központ
Fermilab — Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium: Chicago közelében működő vezető amerikai részecskefizikai központ, híres Tevatronról, top kvark felfedezésről és neutrínó-kísérletekről.
A Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium (Fermilab) az Illinois állambeli Batavia mellett, Chicago közelében található, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának nagyenergiájú részecskefizikára szakosodott nemzeti laboratóriuma. A Fermilabot 2007. január 1-je óta a Fermi Research Alliance működteti. A Fermi Research Alliance egy konzorcium, amelynek vezető tagjai a Chicagói Egyetem és az Universities Research Association (URA); a laboratórium környezetében és együttműködéseiben más regionális intézmények, például az Illinois Institute of Technology is szerepet vállalnak a kutatásokban. A Fermilab az Illinois-i technológiai és kutatási folyosó fontos része.
Gyorsítók és történet
A Fermilab egyik legismertebb berendezése a Tevatron volt, amely mérföldkőnek számított a részecskegyorsító fizikában. A Tevatron körülbelül 3,9 mérföldes (6,3 km) kerületével és körülbelül 1,96 TeV középütközési energiájával hosszú időn át a világ egyik vezető ütköztetője volt; üzemi periódusa nagyjából 1983-től 2011-ig tartott, majd 2011. szeptember 30-án leállították. A Tevatronon dolgozó kísérletek (különösen a CDF és a DØ detektorok) 1995-ben járultak hozzá a top kvark felfedezéséhez, ami a standard modell fontos igazolása volt.
A laboratórium teljes gyorsítókomplexuma magában foglalja a lineáris gyorsítót (linac), a Boostert, a Recycler-t és a Main Injectort, amelyek együtt szolgálják ki a különféle kísérleteket és a neutrínónyalábok előállítását. A Fermilab kiemelt szerepet játszik az új generációs gyorsítástechnológiák és detektorfejlesztések kidolgozásában, valamint a világméretű tudományos együttműködésekben való részvételben.
Neutrínókutatás és egyedi kísérletek
A nagyenergiájú ütköztetőfizika mellett a Fermilab számos fix célpontos és neutrínó kísérletnek ad otthont. Jelentősebb projektek közé tartoznak többek között a MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), a SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) és a MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). A MiniBooNE detektor egy 12 m (40 láb) átmérőjű gömb, amely mintegy 800 tonna ásványi olajat tartalmaz, és 1520 egyedi fotócső-burkolattal van felszerelve; éves szinten nagyszámú neutrínóeseményt rögzít (becslések szerint akár ~1 millió esemény/év volt jellemző korábban). A SciBooNE a MiniBooNE-vel azonos neutrínónyalábban működött, de finomabb követési és kapcsolódó mezon‑rekonstrukciós képességekkel rendelkezett.
A MINOS kísérlet a Fermilab NuMI (Neutrinos at the Main Injector) sugárnyalábját használta: ez egy intenzív, irányított neutrínónyaláb, amelyet a Main Injector állít elő, és amely akár 455 mérföldet (732 km) tett meg a Földön keresztül egészen a minnesotai Soudan bányába, ahol egy távoli detektor várta az érkező neutrínókat. A Fermilab emellett otthont ad más fontos neutrínóprogramoknak és fejlődési projekteknek (például a MicroBooNE, MINERvA, NOvA projekteknek) és kulcsszerepet játszik a jövő nemzetközi nagyprojektjében, a DUNE/LBNF (Deep Underground Neutrino Experiment / Long-Baseline Neutrino Facility) előkészítésében, amely a jövő egyik fő hosszú‑hosszú bázisú neutrínóprogramja lesz.
Tudományos együttműködés és alkalmazott kutatás
A Fermilab nemcsak alapkutatást végez a részecskefizikában és neutrínófizikában, hanem fejleszt gyorsítástechnológiákat, detektorokat és számítási infrastruktúrát is, amelyek széleskörű ipari és tudományos alkalmazásokkal rendelkeznek. A laboratórium része nemzetközi együttműködéseknek: kutatói és fejlesztései támogatják a globális kísérleteket, és számos egyetem és kutatóintézet vesz részt a Fermilab programjaiban.
Települési környezet, természetvédelem és közösség
A Fermilab területe igen nagy, de a kísérleti berendezések jelentős része a felszín alatt található. A laboratórium vezetése és kutatói tudatos döntést hoztak a felszín visszaalakítására: az eredeti illinois-i préri élőhelyének helyreállítását kísérleti jelleggel folytatják, növény- és állatfajok visszatelepítésével. A területen egy farmot is létrehoztak az amerikai bölény (bison) gondozására, ami egyszerre szolgál természetvédelmi és oktatási célt. A Fermilab Nature Areas egy különálló nonprofit csoport, amely ezeket a környezetvédelmi és közösségi programokat koordinálja, látogatóprogramokat és szemléletformáló rendezvényeket is szervezve.
Ismertség és megemlékezések
A laboratórium nemzetközi hírnévre tett szert a részecskefizikai eredmények és a gyorsítástechnikai fejlesztések révén. Emellett a laboratórium tiszteletére elneveztek egy kisbolygót: a 11998 Fermilab kisbolygót a laboratórium tiszteletére jegyezték be az asztrometriai nyilvántartásokban.
A Fermilab ma is aktív kutatási központ: továbbra is üzemelteti és fejleszti gyorsítóit és kísérleti infrastruktúráját, részt vesz a világméretű nagyprojektekben, és fontos szereplője a részecskefizikai kutatások és a tudományos oktatás nemzetközi hálózatának.
A Fermilab műholdképét. A két kör alakú építmény a Main Injector Ring (kicsi) és a Tevatron (nagy).
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
Kérdések és válaszok
K: Mi az a Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium?
V: A Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium (Fermilab) az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának nagyenergiájú részecskefizikára szakosodott nemzeti laboratóriuma.
K: Ki működteti a Fermilabot?
V: 2007. január 1-jétől a Fermilabot a Fermi Research Alliance, a Chicagói Egyetem, az Illinois Institute of Technology és az Universities Research Association (URA) közös vállalkozása üzemelteti.
K: Mire használták a Tevatron részecskegyorsítót?
V: A Tevatron részecskegyorsítót a top kvark felfedezésére és nagy energiájú ütköztetőfizikai kísérletek elvégzésére használták.
K: Milyen más típusú kísérleteket végeznek a Fermilabban?
V: A nagyenergiájú ütköztetőfizika mellett a Fermilabban kisebb fix célpontos és neutrínó kísérletek is zajlanak, mint például a MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), a SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) és a MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search).
K: Mekkora a MiniBooNE detektor?
V: A MiniBooNE detektor egy 12 m (40 láb) átmérőjű gömb, amely 800 tonna ásványi olajat tartalmaz, 1520 egyedi fotócső detektorral kibélelve.
K: Milyen messzire jut el a NuMI sugár a Fermilabtól?
V: A NuMI-sugár a Fermilabtól a minnesotai Soudan bányáig 455 mérföldet (732 km) tesz meg.
K: Milyen programokat indított a Fermilab a szárazföldi felszínen?
V: A Fermilab a földfelszínén kísérletet indított az eredeti illinois-i préri helyreállítására, valamint egy farmot, ahol amerikai bölénycsordát tenyésztenek.
Keres