Fermilab — Fermio nacionalinė greitintuvo laboratorija, JAV dalelių fizika
Fermilab — JAV lyderiaujanti dalelių fizikos laboratorija netoli Čikagos: Tevatronas, pažangūs neutrinų eksperimentai ir tarptautiniai moksliniai tyrimai.
Fermio nacionalinė greitintuvo laboratorija (Fermilab), įsikūrusi netoli Batavijos, Ilinojaus valstijoje, netoli Čikagos, yra JAV Energetikos departamento nacionalinė laboratorija, kurios pagrindinė specializacija – aukštų energijų dalelių fizika ir su ja susijusieksperimentinė bei teorinė tyrimų veikla. Laboratorija buvo įkurta 1960–1970 m. sandūroje kaip Nacionalinė greitintuvų laboratorija; vėliau jai suteiktas Enrico Fermio vardas. Nuo 2007 m. sausio 1 d. Fermilaboratoriją valdo Fermio tyrimų aljansas (Fermi Research Alliance) – bendra Čikagos universiteto, Ilinojaustechnologijos instituto ir Universitetų tyrimų asociacijos (URA) įmonė. Fermilab užima plačią teritoriją ir yra svarbi Ilinojaus technologijų bei mokslinių tyrimų koridoriaus dalis.
Istorija ir pagrindiniai įrenginiai
Fermilab buvo suprojektuota kaip didelio impulso protonų greitintuvų kompleksas, į kurį įėjo linijinis greitintuvas, Booster, Main Injector ir, ilgą laiką, Tevatronas. Tevatronas buvo vienas iš pagrindinių laboratorijos instrumentų: 3,9 mylios (6,3 km) perimetro ciklinis greitintuvas, ilgą laiką antras pagal energiją pasaulyje (CERN Didžiojo hadronų priešpriešinių srautų greitintuvo perimetras – 27 km). Tevatronas veikė kol buvo uždarytas 2011 m. rugsėjo 30 d.; jo centrinių sudūrimų energija siekė apie 1,96 TeV. 1995 m. dvi Tevatrono eksperimentų komandos (CDF ir DØ) paskelbė apie viršutinio kvarko (top kvarko) atradimą, kuris buvo vienas iš laboratorijos mokslinių laimėjimų.
Neutrinų ir kiti eksperimentai
Be to, kad Fermilab ilgus dešimtmečius buvo žinomas dėl priešpriešinių srautų greitintuvų fizikos, laboratorijoje intensyviai vystomas neutrinų tyrimų programas bei kiti fiksuotų taikinių eksperimentai. Svarbiausi arba gerai žinomi Fermilabo projektai ir eksperimentai:
- MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment) – mažo užsklandos neutrinų eksperimento detektorius: 40 pėdų (12 m) skersmens sfera, kurioje yra apie 800 tonų mineralinės alyvos ir 1520 fotomultiplikatorių; eksperimentas užregistruoja didelį neutrinų įvykių skaičių (apskaičiuota apie milijoną įvykių per metus) ir tyrinėja neutrinų oscilacijas bei anomalijas.
- SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) – dar vienas eksperimentas tame pačiame neutrinų pluošte kaip MiniBooNE, skirtas tikslesniam neutrinų tarpusavio sąveikų ir atsakų sekimui.
- MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) – ilgabangė neutrinų oscilacijų studija, naudojanti Fermilab'o NuMI (Neutrinos at the Main Injector) pluoštą; šis intensyvus neutrinų srautas keliavo apie 455 mylias (732 km) per Žemę iki Soudano kasyklos Minesotoje, kur stovėjo MINOS tolimasis detektorius.
- MINERvA, MicroBooNE, NOvA, Muon g–2 ir kiti eksperimentai – Fermilab nuolat plėtoja plačią programą, įskaitant trumpų ir ilgų atstumų neutrinų projektus, trumpabangę „Short-Baseline“ programą (pvz., SBND, ICARUS) bei aukšto tikslumo dalelių fiziką, kurią atlieka pasaulinės bendruomenės komandos.
- Ateities projektai – Fermilab yra pagrindinis Jungtinių Valstijų partneris kuriant LBNF/DUNE ilgabangį projektą (Deep Underground Neutrino Experiment), kuriame Fermilab gamins intensyvų neutrinų srautą ir administruos didelę dalį infrastruktūros, o tolimieji detektoriai bus įrengti giliau po žeme JAV šiaurės vakarų dalyje.
Fizinė infrastruktūra, aplinka ir visuomenės ryšiai
Didžioji dalis Fermilabo sudėtingos įrangos ir dalies eksperimentinių nuostatų yra po žeme, tačiau laboratorijos paviršius taip pat daug dėmesio skiria gamtinei aplinkai. Mokslininkai ir administracija aktyviai palaiko Ilinojaus prerijų atkūrimo programą, kurioje Fermilabo žemės paviršius atstatomas natūraliai vegetacijai ir laukinei gyvūnijai. Laboratorija taip pat įsteigė ūkį su amerikietiškų bizonų banda, o šias ir kitas gamtos iniciatyvas administruoja atskira ne pelno siekianti organizacija – Fermilabo gamtos teritorijos.
Fermilab yra ne tik tyrimų centras, bet ir aktyvus mokslo komunikacijos centras: čia veikia muziejus ir edukacinės patalpos, rengiami vieši turai, seminarai, mokyklų programos ir kiti renginiai, skirti visuomenei, studentams bei konkurentams supažindinti su dalelių fizika ir technologijomis.
Tarptautinis bendradarbiavimas ir kompaktiniai tinklai
Fermilab bendradarbiauja su universitetais ir tyrėjų grupėmis visame pasaulyje. Laboratorijoje dirba ir dirba projektus tūkstančiai mokslininkų, doktorantų ir inžinierių, o eksperimentų duomenims apdoroti naudojamos didelės kompiuterinės sistemos ir tarptautiniai duomenų tinklai (pvz., Open Science Grid tipo infrastruktūros).
Asteroidas 11998 Fermilab pavadintas laboratorijos garbei, kas simbolizuoja Fermilabo indėlį į kosminius ir fundamentalius fizikos tyrimus bei jo tarptautinę reikšmę.
Fermilab vaizdas iš palydovo. Dvi apskritos struktūros - tai pagrindinis inžektoriaus žiedas (mažasis) ir Tevatronas (didysis).
Istorija
Nuo Antrojo pasaulinio karo iki XX a. septintojo dešimtmečio federalinė vyriausybė finansavo įvairius dalelių greitintuvus konkuruojančiuose universitetuose, kuriuose buvo atliekami didelės energijos fizikos eksperimentai. Labiausiai išsiskyrė Stanfordo linijinis greitintuvas (SLAC), kuriame dalelės buvo siunčiamos tiesia linija, Brookhaveno nacionalinė laboratorija prie SUNY Stoney Brook ir Kornelio universiteto sinchrotronas, kuriame dalelės buvo siunčiamos ratu, kad tie patys magnetai jas veiktų daug kartų. XX a. septintajame dešimtmetyje didesnių atomų greitintuvų statybos išlaidos buvo per didelės, kad būtų galima finansuoti kiekvieną atskirą universitetinį miestelį, o kito žiedinio greitintuvo žiedo dydis būtų buvęs per didelis, kad tilptų į esamą universitetinį miestelį. Taigi federalinė vyriausybė nusprendė įkurti naują vietą, kuriai vadovautų fizikai iš kelių universitetų. Jie surengė konkursą vietai parinkti, tačiau politikai kovojo, kad ji būtų Ilinojaus valstijoje.
Vestonas, Ilinojaus valstija, buvo šalia Batavijos esanti bendruomenė. Tai buvo XX a. septintojo dešimtmečio pradžioje pradėtas statyti surenkamųjų namų mikrorajonas. Pardavimai vyko labai lėtai, todėl žemės sklypų vystytojai bandė pritraukti Fermilab kaip naują darbdavį naujojo miestelio pakraštyje. Tačiau paaiškėjo, kad reikiamas žemės plotas užgožtų visą miestelį. Todėl miestas nubalsavo parduoti Fermilab visą žemę, įskaitant pastatytus namus. Tada miestas iširo.
Laboratorija buvo įkurta 1967 m. kaip Nacionalinė greitintuvų laboratorija; 1974 m. ji buvo pervadinta Enriko Fermio garbei. Pirmasis laboratorijos direktorius buvo Robertas Ratbunas Vilsonas (Robert Rathbun Wilson). Vilsonas sukūrė daugelį miestelio skulptūrų. Jam priskiriama atsakomybė už tai, kad ji buvo baigta anksčiau laiko ir neviršijant biudžeto. Jo garbei pavadintas aukštas laboratorijos pastatas, kurio unikali forma tapo Fermilaboratorijos simboliu ir kuris yra miestelio veiklos centras.
Dar nebaigus statyti naujų pastatų, mokslininkai persikėlė į Vestono namus, taip pat perkėlė visus Fermilab fermų namus į tą vietą, kad jie būtų naudojami kaip biurų patalpos. Jie pervadino Vestoną "Fermilab kaimu". Jame iki šiol gyvena atvykstantys mokslininkai.
Vilsonas į pagalbą pasitelkė komandą, kuri buvo sukūrusi Kornelio sinchrotroną, kad padėtų sukurti pradinį 200 GeV greitintuvą. Du svarbūs išradimai šį greitintuvą pavertė pasenusiu: superlaidūs magnetai ir to paties greitintuvo žiedo naudojimas dviem dalelių grupėms siųsti priešingomis kryptimis, kad susidūrusios jos turėtų dvigubai didesnę energiją.
1978 m. Vilsonui atsistatydinus, protestuojant prieš nepakankamą laboratorijos finansavimą, darbą pradėjo Leonas M. Ledermanas. Jam vadovaujant pirminis greitintuvas buvo pakeistas Tevatrono greitintuvu. Naujasis greitintuvas galėjo susidurti protoną ir antiprotoną, kurių bendra energija siekė 1,96 TeV. 1988 m. Ledermanas pasitraukė iš pareigų ir liko direktoriumi emeritu. Jo garbei buvo pavadintas vietoje esantis mokslinio švietimo centras (skirtas studentams ir plačiajai visuomenei).
1988-1998 m. laboratorijai vadovavo Johnas Peoplesas. Nuo to laiko iki 2005 m. birželio 30 d. laboratorijai vadovavo Michaelas S. Witherellas. 2004 m. lapkričio 19 d. naujuoju Fermilab direktoriumi buvo paskelbta Piermaria Oddone, anksčiau dirbusi Lawrence'o Berkeley nacionalinėje laboratorijoje Kalifornijoje. Oddone pradėjo eiti direktoriaus pareigas 2005 m. liepos 1 d.
Fermilab ir toliau dalyvauja LHC darbuose, įskaitant ir tai, kad ji yra pasaulinio LHC kompiuterių tinklo pirmojo lygio vieta. Ilinojaus valstija finansuoja naują Ilinojaus greitintuvų tyrimų centro pastatą Fermilabo laboratorijoje, skirtą mokslininkams ir pramonės partneriams.
Robert Rathbun Wilson Hall
Greitintuvai
Pirmasis greitinimo proceso etapas vyksta Kokkrofto-Valtono generatoriuje. Jo metu imamos vandenilio dujos ir paverčiamos H- jonais, įleidžiant juos į talpyklą, išklotą molibdeno elektrodais: degtukų dėžutės dydžio ovalo formos katodu ir aplink jį esančiu anodu, kuriuos skiria 1 mm atstumas ir kuriuos laiko stiklo keramikos izoliatoriai. Magnetronas naudojamas plazmai sukurti, kad prie metalo paviršiaus susidarytų H-. Kokkrofto-Valtono generatoriumi sukuriamas 750 keV elektrostatinis laukas, ir jonai pagreitinami iš konteinerio. Kitas etapas - linijinis greitintuvas (arba linakas), kuris pagreitina daleles iki 400 MeV, t. y. maždaug 70 % šviesos greičio. Prieš pat patekdami į kitą greitintuvą, H- jonai pereina per anglies foliją ir tampa H+ jonais (protonais).
Kitas žingsnis - stiprintuvo žiedas. Stiprinimo žiedas yra 468 m apskritimo skersmens greitintuvas, kuriame protonų pluoštai magnetų pagalba lenkiami apskritimu. Iš "Linac" išeinantys protonai per 33 milisekundes apskrieja stiprintuvo žiedą maždaug 20 000 kartų, todėl jie pakartotinai patiria elektrinius laukus. Su kiekvienu apsisukimu protonai įgauna vis daugiau energijos ir palieka stiprintuvą su 8 GeV energija. Pagrindinis injektorius yra kita greitintuvo grandis. Baigtas statyti 1999 m., jis tapo Fermilab "dalelių komutatoriumi", atliekančiu tris funkcijas: greitina protonus, tiekia protonus antiprotonų gamybai ir greitina antiprotonus, gaunamus iš antiprotonų šaltinio. Paskutinis greitintuvas buvo Tevatronas. Tai buvo antras pagal galingumą dalelių greitintuvas pasaulyje (galingiausias - CERN Didysis hadronų greitintuvas). Keliaudami beveik šviesos greičiu, protonai ir antiprotonai skriejo aplink Tevatroną priešingomis kryptimis. Fizikai koordinuoja pluoštus taip, kad jie susidurtų 1,96 TeV energijų dviejų 5 000 tonų DØ ir CDF detektorių, esančių "Tevatron" tunelio viduje, centruose ir atskleistų ankstyvosios visatos materijos sąlygas ir jos struktūrą mažiausiu masteliu. Tevatronas pertvarkomas į muziejų.
Linijinis greitintuvas taip pat turi gydymo įstaigą. Gydytojai gydo vėžiu sergančius žmones, šaudydami protonus arba neutronus iš greitintuvo į jų auglius.
Fermilab greitintuvo žiedai
Eksperimentai
- Holometro interferometras
- Tevatrono protonų ir antiprotonų greitintuvas: DØ ir susidūrimo detektorius Fermilabe
- MiniBooNE: Mini Booster Neutrino eksperimentas
- Sciboone: SciBar Booster Neutrinų eksperimentas
- MINOS: Pagrindinio injektoriaus neutrinų osciliacijos paieška
- MINERνA: pagrindinis INJEKCINIS EKSPERIMENTAS su νs ant As
- NOνA: NuMI ne ašies νe išvaizda
- MIPP: pagrindinio purkštuvo dalelių gamyba
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra Fermio nacionalinė greitintuvų laboratorija?
A: Fermio nacionalinė greitintuvų laboratorija (Fermilab) - tai JAV energetikos departamento nacionalinė laboratorija, kurios specializacija - didelės energijos dalelių fizika.
K: Kas valdo "Fermilab"?
A.: Nuo 2007 m. sausio 1 d. "Fermilab" valdo "Fermi Research Alliance" - bendra Čikagos universiteto, Ilinojaus technologijos instituto ir Universitetų mokslinių tyrimų asociacijos (URA) įmonė.
K: Kam buvo naudojamas dalelių greitintuvas "Tevatron"?
A: Dalelių greitintuvas "Tevatron" buvo naudojamas viršutiniam kvarkui atrasti ir didelės energijos priešpriešinių srautų greitintuvų fizikos eksperimentams atlikti.
K: Kokių dar eksperimentų rūšių eksperimentai atliekami "Fermilab"?
A: Be didelės energijos priešpriešinių srautų greitintuvų fizikos, "Fermilab" taip pat vykdomi mažesni fiksuoto taikinio ir neutrinų eksperimentai, pavyzdžiui, MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) ir MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search).
K: Kokio dydžio yra MiniBooNE detektorius?
A: MiniBooNE detektorius yra 40 pėdų (12 m) skersmens sfera, kurioje yra 800 tonų mineralinės alyvos, išklotos 1520 atskirų fototubų detektorių.
K: Kaip toli NuMI spindulys keliauja iš Fermilab?
A: NuMI spindulys iš Fermilab į Soudano kasyklą Minesotoje nukeliauja 455 mylias (732 km).
K: Kokias programas "Fermilab" pradėjo vykdyti savo sausumos paviršiuje?
A.: Fermilab pradėjo eksperimentą, kurio tikslas - atkurti pirmykštę Ilinojaus preriją ir įkurti fermą, kurioje bus auginama amerikietiškų bizonų banda.
Ieškoti