Fermilab

Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), net buiten Batavia, Illinois, in de buurt van Chicago, is een nationaal laboratorium van het Amerikaanse ministerie van Energie dat gespecialiseerd is in de fysica van hoog-energetische deeltjes. Sinds 1 januari 2007 wordt Fermilab geëxploiteerd door de Fermi Research Alliance, een joint venture van de Universiteit van Chicago, IllinoisInstitute of Technology en de Universities Research Association (URA). Fermilab maakt deel uit van de Illinois Technology and Research Corridor.

De Tevatron van Fermilab was een baanbrekende deeltjesversneller; met een omtrek van 6,3 km was het de op één na grootste energiedeeltjesversneller ter wereld (de Large Hadron Collider van CERN heeft een omtrek van 27 km), totdat hij op 30 september 2011 werd stilgelegd. In 1995 kondigden twee teams van Fermilab (CDF en DØ, detectoren die gebruik maken van de Tevatron) de ontdekking van de topquark aan.

Naast de hoge energie collider fysica, is Fermilab ook gastheer voor een aantal kleinere fixed-target en neutrino experimenten, zoals MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) en MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). De MiniBooNE detector is een bol met een diameter van 12 meter die 800 ton minerale olie bevat, bekleed met 1520 individuele fotobuisdetectoren. Naar schatting worden er elk jaar 1 miljoen neutrino-gebeurtenissen geregistreerd. SciBooNE is het nieuwste neutrino-experiment in Fermilab; het zit in dezelfde neutrinobundel als MiniBooNE maar heeft een fijnkorrelig volgsysteem. Het MINOS-experiment maakt gebruik van de NuMI-bundel (Neutrino's bij de hoofdinjector) van Fermilab, een intense neutrinobundel die 455 mijl (732 km) door de aarde naar de Soudan-mijn in Minnesota reist.

Een groot stuk land was gereserveerd voor Fermilab, maar een groot deel van de apparatuur ligt ondergronds. De wetenschappers van Fermilab besloten het landoppervlak te gebruiken als een experiment om de oorspronkelijke prairie van Illinois te herstellen. Ze begonnen ook een boerderij om een kudde Amerikaanse bizons op te voeden. De Fermilab Natuurgebieden is een aparte non-profit groep die deze programma's beheert.

Asteroïde 11998 Fermilab is genoemd naar het laboratorium.

Een satellietbeeld van Fermilab. De twee cirkelvormige structuren zijn de Main Injector Ring (klein) en Tevatron (groot).
Een satellietbeeld van Fermilab. De twee cirkelvormige structuren zijn de Main Injector Ring (klein) en Tevatron (groot).

Geschiedenis

Tussen de Tweede Wereldoorlog en de jaren '60 financierde de federale overheid verschillende deeltjesversnellers op concurrerende universiteiten om hoge-energiefysica-experimenten te bouwen. Het meest opmerkelijk waren de Stanford Lineaire Versneller (SLAC), die deeltjes in een rechte lijn stuurde, het Brookhaven National Laboratory bij SUNY Stoney Brook en de Cornell University synchrotron, die deeltjes rond stuurde in een cirkel om de zelfde magneten te hebben werken aan de deeltjes vele malen. Tegen de jaren '60 waren de kosten voor de bouw van grotere atoombrekers te hoog om elke individuele campus te financieren, en de grootte van de ring voor de volgende cirkelvormige versneller zou te groot zijn om op een bestaande universiteitscampus te passen. Dus besloot de federale overheid om een nieuwe locatie te beginnen die door natuurkundigen van verschillende universiteiten zou worden gerund. Ze hielden een wedstrijd om een locatie te kiezen, maar de politici vochten ervoor om het in Illinois te laten zijn.

Weston, Illinois was een gemeenschap naast Batavia. Het was een onderverdeling van geprefabriceerde woningen die in het begin van de jaren zestig van de vorige eeuw begon. De verkoop verliep erg traag, dus probeerden de projectontwikkelaars Fermilab aan te trekken om een nieuwe werkgever aan de rand van de nieuwe stad te worden. Het bleek echter dat de benodigde hoeveelheid grond de hele stad zou opslokken. De stad stemde er dus voor om al het land te verkopen, inclusief de huizen die aan Fermilab waren gebouwd. De stad is toen ontbonden.

Het laboratorium werd in 1967 opgericht als Nationaal Versnellerlaboratorium; het werd in 1974 hernoemd ter ere van Enrico Fermi. De eerste directeur van het laboratorium was Robert Rathbun Wilson. Wilson maakte veel van de beelden op de campus. Hij wordt verantwoordelijk geacht voor het feit dat het op voorhand en binnen het budget klaar is. Het hoge laboratoriumgebouw op de site, waarvan de unieke vorm het symbool is geworden voor Fermilab, is genoemd naar zijn eer, en is het centrum van activiteit op de campus.

Voordat de nieuwe gebouwen klaar waren, namen de wetenschappers hun intrek in de Weston huizen en verhuisden ook alle boerderijen op Fermilab naar die locatie voor gebruik als kantoorruimte. Ze hernoemden Weston, "Fermilab Village." Het herbergt nog steeds bezoekende wetenschappers.

Wilson bracht het team dat de Cornell synchrotron had gebouwd binnen om de originele 200 GeV versneller te helpen bouwen. Twee belangrijke uitvindingen maakten deze versneller overbodig: supergeleidende magneten en het gebruik van dezelfde accleratorring om twee groepen deeltjes in tegengestelde richting te sturen, zodat ze bij een botsing twee keer zoveel energie zouden hebben.

Nadat Wilson in 1978 was afgetreden om te protesteren tegen het gebrek aan financiering voor het lab, nam Leon M. Lederman de taak op zich. Onder zijn leiding werd het oorspronkelijke gaspedaal vervangen door het Tevatron gaspedaal. Het nieuwe gaspedaal was in staat om proton en een antiproton te laten botsen bij een gecombineerde energie van 1,96 TeV. Lederman trad in 1988 af en blijft Directeur Emeritus. Het on-site wetenschapsonderwijscentrum (dat studenten en het grote publiek bedient) werd in zijn naam genoemd.

Van 1988 tot 1998 werd het lab gerund door John Peoples. Vanaf die tijd tot 30 juni 2005 werd het lab gerund door Michael S. Witherell. Op 19 november 2004 werd Piermaria Oddone, voorheen van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië, aangekondigd als de nieuwste directeur van Fermilab. Oddone begon zijn termijn als directeur op 1 juli 2005.

Fermilab blijft deelnemen aan het werk in de LHC, onder meer als Tier 1-locatie in het Worldwide LHC Computing Grid. De staat Illinois financiert een nieuw Illinois Accelerator Research Center in Fermilab voor wetenschappers en industriële partners.

Robert Rathbun Wilson Hall
Robert Rathbun Wilson Hall

Versnellers

De eerste fase van het acceleratieproces vindt plaats in de Cockcroft-Walton generator. Het gaat om het nemen van waterstofgas en het omzetten in H-ionen door het in een met molybdeenelektroden beklede container te brengen: een luciferdoosje met een ovale kathode en een omringende anode, gescheiden door 1 mm en op zijn plaats gehouden door glaskeramische isolatoren. Een magnetron wordt gebruikt om een plasma te genereren om H- in de buurt van het metaaloppervlak te vormen. Een 750 keV elektrostatisch veld wordt toegepast door de Cockcroft-Walton generator, en de ionen worden uit de container versneld. De volgende stap is de lineaire versneller (of linac), die de deeltjes versnelt tot 400 MeV, of ongeveer 70% van de lichtsnelheid. Vlak voor de volgende versneller gaan de H-ionen door een koolstoffolie en worden zo H+-ionen (protonen).

De volgende stap is de boosterring. De boosterring is een cirkelvormige versneller met een omtrek van 468 m die met behulp van magneten balken van protonen in een cirkelvormig pad buigt. De protonen die uit het Linac komen, verplaatsen zich ongeveer 20.000 keer in 33 milliseconden rond de Booster, zodat ze herhaaldelijk elektrische velden ervaren. Bij elke omwenteling nemen de protonen meer energie op, waardoor de Booster met 8 GeV overblijft. De hoofdinjector is de volgende schakel in de versnellingsketen. Hij is in 1999 voltooid en is uitgegroeid tot de "particle switchyard" van Fermilab met drie functies: hij versnelt protonen, hij levert protonen voor de productie van antiprotonen en hij versnelt antiprotonen die afkomstig zijn van de antiprotonenbron. De laatste versneller was de Tevatron. Het was de op één na krachtigste deeltjesversneller ter wereld (de Large Hadron Collider van CERN is de krachtigste). Reizend met bijna de snelheid van het licht, cirkelen protonen en antiprotonen de Tevatron in tegengestelde richting. Fysici coördineren de stralen zodat ze botsen in het centrum van twee 5.000-tons detectoren DØ en CDF in de Tevatron tunnel op energieën van 1,96 TeV, waardoor de condities van de materie in het vroege universum en de structuur ervan op de kleinste schaal worden onthuld. De Tevatron wordt omgebouwd tot een museum.

De lineaire versneller heeft ook een medische behandelingsfaciliteit. Artsen behandelen mensen met kanker door protonen of neutronen uit het gaspedaal in hun tumor te schieten.

Fermilab's versnellingsringen
Fermilab's versnellingsringen

Experimenten

  • Holometer-interferometer
  • Tevatron proton-antiprotonbotser: DØ en Collider Detector bij Fermilab
  • MiniBooNE: Mini Booster Neutrino Experiment
  • Sciboone: SciBar Booster Neutrino Experiment
  • MINOS: Hoofdinjector Neutrino Oscillatie zoeken
  • MINERνA: Hoofdinjector ExpeRiment met νs op As
  • NOνA: NuMI Off-axis νe Verschijning
  • MIPP: Hoofdinjectordeeltjesproductie
AlegsaOnline.com - 2020 - Licencia CC3