Fermilab

Ιστορία

Μεταξύ του Β' Παγκοσμίου Πολέμου και της δεκαετίας του 1960, η ομοσπονδιακή κυβέρνηση χρηματοδότησε διάφορους επιταχυντές σωματιδίων σε ανταγωνιστικά πανεπιστήμια για την κατασκευή πειραμάτων φυσικής υψηλών ενεργειών. Οι πιο αξιοσημείωτοι ήταν ο Γραμμικός Επιταχυντής του Στάνφορντ (SLAC), ο οποίος έστελνε σωματίδια σε ευθεία γραμμή, το Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο SUNY Stoney Brook και το συγχρότρον του Πανεπιστημίου Cornell, το οποίο έστελνε σωματίδια κυκλικά, ώστε οι ίδιοι μαγνήτες να δουλεύουν πάνω στα σωματίδια πολλές φορές. Μέχρι τη δεκαετία του 1960, το κόστος κατασκευής μεγαλύτερων ατομικών σπαστήρων ήταν πολύ υψηλό για να χρηματοδοτηθεί κάθε μεμονωμένη πανεπιστημιούπολη και το μέγεθος του δακτυλίου για τον επόμενο κυκλικό επιταχυντή θα ήταν πολύ μεγάλο για να χωρέσει σε μια υπάρχουσα πανεπιστημιούπολη. Έτσι, η ομοσπονδιακή κυβέρνηση αποφάσισε να ξεκινήσει μια νέα τοποθεσία που θα διοικούνταν από φυσικούς από διάφορα πανεπιστήμια. Διεξήγαγαν διαγωνισμό για την επιλογή της τοποθεσίας, αλλά οι πολιτικοί πολέμησαν για να γίνει στο Ιλινόις.

Το Weston του Ιλινόις ήταν μια κοινότητα δίπλα στη Batavia. Ήταν μια υποδιαίρεση προκατασκευασμένων σπιτιών που ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Οι πωλήσεις ήταν πολύ αργές, οπότε οι κατασκευαστές γης προσπάθησαν να προσελκύσουν το Fermilab ως νέο εργοδότη στην άκρη της νέας πόλης. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι η ποσότητα της γης που απαιτούνταν θα καταλάμβανε ολόκληρη την πόλη. Έτσι, η πόλη ψήφισε να πουλήσει όλη τη γη, συμπεριλαμβανομένων των σπιτιών που είχαν χτιστεί, στο Fermilab. Στη συνέχεια η πόλη διαλύθηκε.

Το εργαστήριο ιδρύθηκε το 1967 ως Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών- μετονομάστηκε προς τιμήν του Ενρίκο Φέρμι το 1974. Ο πρώτος διευθυντής του εργαστηρίου ήταν ο Robert Rathbun Wilson. Ο Wilson κατασκεύασε πολλά από τα γλυπτά που βρίσκονται στην πανεπιστημιούπολη. Του αποδίδεται ότι είναι υπεύθυνος για την έγκαιρη ολοκλήρωση του και την τήρηση του προϋπολογισμού. Το ψηλό κτίριο του εργαστηρίου στην περιοχή, το μοναδικό σχήμα του οποίου έχει γίνει το σύμβολο του Fermilab, έχει πάρει το όνομά του προς τιμήν του και αποτελεί το κέντρο της δραστηριότητας στην πανεπιστημιούπολη.

Πριν ολοκληρωθούν τα νέα κτίρια, οι επιστήμονες μετακόμισαν στα σπίτια του Weston και μετέφεραν επίσης όλα τα αγροτικά σπίτια του Fermilab σε αυτή τη θέση για χρήση ως χώροι γραφείων. Μετονόμασαν το Weston σε "Fermilab Village". Εξακολουθεί να φιλοξενεί επισκέπτες επιστήμονες.

Ο Wilson έφερε την ομάδα που είχε κατασκευάσει το συγχρότρον του Cornell για να βοηθήσει στην κατασκευή του αρχικού επιταχυντή των 200 GeV. Δύο σημαντικές εφευρέσεις έκαναν αυτόν τον επιταχυντή παρωχημένο: υπεραγώγιμοι μαγνήτες και η χρήση του ίδιου δακτυλίου επιταχυντή για να στέλνει δύο ομάδες σωματιδίων σε αντίθετες κατευθύνσεις, ώστε όταν συγκρούονται να έχουν διπλάσια ενέργεια.

Αφού ο Wilson παραιτήθηκε το 1978 για να διαμαρτυρηθεί για την έλλειψη χρηματοδότησης του εργαστηρίου, τη θέση του ανέλαβε ο Leon M. Lederman. Υπό την καθοδήγησή του ο αρχικός επιταχυντής αντικαταστάθηκε από τον επιταχυντή Tevatron. Ο νέος επιταχυντής ήταν ικανός να συγκρούει πρωτόνιο και αντιπρωτόνιο σε συνδυασμένη ενέργεια 1,96 TeV. Ο Lederman αποχώρησε το 1988 και παραμένει ομότιμος διευθυντής. Το επιτόπιο κέντρο επιστημονικής εκπαίδευσης (το οποίο εξυπηρετεί μαθητές και το ευρύ κοινό) ονομάστηκε προς τιμήν του.

Από το 1988 έως το 1998, το εργαστήριο διοικείτο από τον John Peoples. Από τότε μέχρι τις 30 Ιουνίου 2005, το εργαστήριο διηύθυνε ο Michael S. Witherell. Στις 19 Νοεμβρίου 2004, η Piermaria Oddone, πρώην διευθύντρια του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley στην Καλιφόρνια, ανακοινώθηκε ως η νέα διευθύντρια του Fermilab. Ο Oddone ξεκίνησε τη θητεία του ως διευθυντής την 1η Ιουλίου 2005.

Το Fermilab συνεχίζει να συμμετέχει στις εργασίες του LHC, μεταξύ άλλων ως τοποθεσία επιπέδου 1 στο Παγκόσμιο Υπολογιστικό Πλέγμα του LHC. Η Πολιτεία του Ιλινόις χρηματοδοτεί ένα νέο κτίριο του Illinois Accelerator Research Center στο Fermilab για τους επιστήμονες και τους βιομηχανικούς εταίρους.

Robert Rathbun Wilson Hall

Επιταχυντές

Το πρώτο στάδιο της διαδικασίας επιτάχυνσης πραγματοποιείται στη γεννήτρια Cockcroft-Walton. Περιλαμβάνει τη λήψη αερίου υδρογόνου και τη μετατροπή του σε ιόντα Η- με την εισαγωγή του σε ένα δοχείο επενδεδυμένο με ηλεκτρόδια μολυβδαινίου: μια κάθοδος σε μέγεθος σπιρτόκουτου, ωοειδούς σχήματος και μια άνοδος που την περιβάλλει, διαχωρισμένες κατά 1 mm και συγκρατούμενες από γυάλινους κεραμικούς μονωτήρες. Ένα μαγνήτρο χρησιμοποιείται για τη δημιουργία πλάσματος για το σχηματισμό H- κοντά στην επιφάνεια του μετάλλου. Ένα ηλεκτροστατικό πεδίο 750 keV εφαρμόζεται από τη γεννήτρια Cockcroft-Walton και τα ιόντα επιταχύνονται έξω από το δοχείο. Το επόμενο βήμα είναι ο γραμμικός επιταχυντής (ή linac), ο οποίος επιταχύνει τα σωματίδια στα 400 MeV, ή περίπου στο 70% της ταχύτητας του φωτός. Ακριβώς πριν εισέλθουν στον επόμενο επιταχυντή, τα ιόντα Η- περνούν μέσα από ένα φύλλο άνθρακα, μετατρέποντας τα σε ιόντα Η+ (πρωτόνια).

Το επόμενο βήμα είναι ο δακτύλιος ενίσχυσης. Ο ενισχυτικός δακτύλιος είναι ένας κυκλικός επιταχυντής περιφέρειας 468 μέτρων που χρησιμοποιεί μαγνήτες για να κάμψει δέσμες πρωτονίων σε κυκλική τροχιά. Τα πρωτόνια που προέρχονται από τον Linac ταξιδεύουν γύρω από τον Booster περίπου 20.000 φορές σε 33 χιλιοστά του δευτερολέπτου, έτσι ώστε να αντιμετωπίζουν επανειλημμένα ηλεκτρικά πεδία. Με κάθε περιστροφή τα πρωτόνια μαζεύουν περισσότερη ενέργεια, φεύγοντας από τον Booster με 8 GeV. Ο κύριος εγχυτήρας είναι ο επόμενος κρίκος στην αλυσίδα του επιταχυντή. Ολοκληρώθηκε το 1999 και έχει γίνει το "ανταλλακτήριο σωματιδίων" του Fermilab με τρεις λειτουργίες: επιταχύνει πρωτόνια, παραδίδει πρωτόνια για την παραγωγή αντιπρωτονίων και επιταχύνει αντιπρωτόνια που προέρχονται από την πηγή αντιπρωτονίων. Ο τελευταίος επιταχυντής ήταν το Tevatron. Ήταν ο δεύτερος ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο (ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων του CERN είναι ο ισχυρότερος). Ταξιδεύοντας σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, τα πρωτόνια και τα αντιπρωτόνια κάνουν κύκλους στο Tevatron προς αντίθετες κατευθύνσεις. Οι φυσικοί συντονίζουν τις δέσμες έτσι ώστε να συγκρουστούν στα κέντρα των δύο ανιχνευτών DØ και CDF των 5.000 τόνων μέσα στη σήραγγα Tevatron σε ενέργειες 1,96 TeV, αποκαλύπτοντας τις συνθήκες της ύλης στο πρώιμο σύμπαν και τη δομή της στην πιο μικρή κλίμακα. Το Tevatron μετατρέπεται σε μουσείο.

Ο γραμμικός επιταχυντής διαθέτει επίσης εγκαταστάσεις ιατρικής θεραπείας. Οι γιατροί θεραπεύουν άτομα με καρκίνο εκτοξεύοντας πρωτόνια ή νετρόνια από τον επιταχυντή στους όγκους τους.

Οι δακτύλιοι επιταχυντών του Fermilab

Πειράματα

• Ολομετρικό συμβολόμετρο
• Επιταχυντής πρωτονίων-αντιπρωτονίων Tevatron: DØ και ανιχνευτής του επιταχυντή στο Fermilab
• MiniBooNE: Mini Booster Neutrino Experiment
• Sciboone: SciBar Booster Neutrino Experiment
• MINOS: Αναζήτηση ταλάντωσης νετρίνων του κύριου εγχυτήρα
• MINERνA: Κύριο πείραμα εγχυτήρα με νs σε As
• NOνA: Εμφάνιση νe εκτός άξονα NuMI
• MIPP: Παραγωγή σωματιδίων από τον κύριο εγχυτήρα