Fermilab

História

V období od druhej svetovej vojny do 60. rokov 20. storočia financovala federálna vláda rôzne urýchľovače častíc na konkurenčných univerzitách, ktoré slúžili na budovanie experimentov v oblasti fyziky vysokých energií. Najvýznamnejšími boli Stanfordský lineárny urýchľovač (SLAC), ktorý posielal častice v priamke, Brookhavenské národné laboratórium v SUNY Stoney Brook a synchrotrón Cornellovej univerzity, ktorý posielal častice dookola, aby na ne tie isté magnety pôsobili viackrát. V 60. rokoch 20. storočia boli náklady na výstavbu väčších rozbíjačov atómov príliš vysoké na to, aby ich financoval každý jednotlivý areál, a veľkosť kruhu pre ďalší kruhový urýchľovač by bola príliš veľká na to, aby sa zmestil do existujúceho univerzitného areálu. Federálna vláda sa preto rozhodla založiť nové pracovisko, ktoré by viedli fyzici z viacerých univerzít. Uskutočnili súťaž na výber lokality, ale politici bojovali za to, aby to bolo v Illinois.

Weston, Illinois, bola obec vedľa mesta Batavia. Bola to subdivízia montovaných domov, ktorá sa začala stavať začiatkom 60. rokov 20. storočia. Predaj bol veľmi pomalý, preto sa developeri snažili prilákať spoločnosť Fermilab, aby sa stala novým zamestnávateľom na okraji nového mesta. Ukázalo sa však, že množstvo potrebných pozemkov by pohltilo celé mesto. Mesto teda odhlasovalo predaj všetkých pozemkov vrátane postavených domov spoločnosti Fermilab. Mesto potom zaniklo.

Laboratórium bolo založené v roku 1967 ako Národné urýchľovačové laboratórium; v roku 1974 bolo premenované na počesť Enrica Fermiho. Prvým riaditeľom laboratória bol Robert Rathbun Wilson. Wilson vytvoril mnoho sôch v areáli. Pripisuje sa mu zásluha na tom, že bolo dokončené v predstihu a v rámci rozpočtu. Výšková budova laboratória na mieste, ktorej jedinečný tvar sa stal symbolom pre Fermilab, je pomenovaná na jeho počesť a je centrom činnosti v areáli.

Pred dokončením nových budov sa vedci presťahovali do Westonových domov a na toto miesto presunuli aj všetky hospodárske domy vo Fermilabe, ktoré sa využívali ako kancelárske priestory. Weston premenovali na "Fermilab Village". Stále v nej bývajú hosťujúci vedci.

Wilson prizval tím, ktorý postavil Cornellov synchrotrón, aby pomohol vybudovať pôvodný 200 GeV urýchľovač. Tento urýchľovač zastaral vďaka dvom dôležitým vynálezom: supravodivým magnetom a použitiu toho istého akceleračného prstenca na posielanie dvoch skupín častíc v opačných smeroch, takže pri zrážke by mali dvojnásobnú energiu.

Po tom, ako Wilson v roku 1978 odstúpil na protest proti nedostatočnému financovaniu laboratória, prevzal jeho vedenie Leon M. Lederman. Pod jeho vedením bol pôvodný urýchľovač nahradený urýchľovačom Tevatron. Nový urýchľovač bol schopný zrážať protón a antiprotón pri kombinovanej energii 1,96 TeV. Lederman odišiel z funkcie v roku 1988 a zostáva emeritným riaditeľom. Na jeho počesť bolo na mieste pomenované vedecké vzdelávacie centrum (ktoré slúži študentom a širokej verejnosti).

V rokoch 1988 až 1998 viedol laboratórium John Peoples. Od tohto obdobia do 30. júna 2005 viedol laboratórium Michael S. Witherell. Dňa 19. novembra 2004 bola za nového riaditeľa Fermilabu vyhlásená Piermaria Oddoneová, ktorá predtým pracovala v Národnom laboratóriu Lawrencea Berkeleyho v Kalifornii. Oddone začal vykonávať funkciu riaditeľa 1. júla 2005.

Fermilab sa naďalej podieľa na práci v LHC vrátane úlohy pracoviska Tier 1 v celosvetovej počítačovej sieti LHC. Štát Illinois financuje novú budovu Illinois Accelerator Research Center vo Fermilabe pre vedcov a priemyselných partnerov.

Robert Rathbun Wilson Hall

Akcelerátory

Prvá fáza procesu urýchľovania prebieha v Cockcroftovom-Waltonovom generátore. Zahŕňa odber plynného vodíka a jeho premenu na H- ióny zavedením do nádoby vystlanej molybdénovými elektródami: katódou oválneho tvaru veľkosti škatuľky od zápaliek a okolitou anódou, ktoré sú od seba vzdialené 1 mm a držia ich sklokeramické izolátory. Magnetrón sa používa na generovanie plazmy, ktorá vytvára H- v blízkosti kovového povrchu. Cockcroftov-Waltonov generátor aplikuje elektrostatické pole s napätím 750 keV a ióny sú urýchľované von z nádoby. Ďalším krokom je lineárny urýchľovač (alebo linac), ktorý urýchľuje častice na 400 MeV alebo približne 70 % rýchlosti svetla. Tesne pred vstupom do ďalšieho urýchľovača prechádzajú H- ióny cez uhlíkovú fóliu a stávajú sa H+ iónmi (protónmi).

Ďalším krokom je posilňovací krúžok. Zosilňovací prstenec je kruhový urýchľovač s obvodom 468 m, ktorý pomocou magnetov ohýba lúče protónov po kruhovej dráhe. Protóny vychádzajúce z Linacu precestujú okolo boosteru približne 20 000-krát za 33 milisekúnd, takže opakovane zažívajú elektrické polia. S každou otáčkou získajú protóny viac energie a opúšťajú Booster s energiou 8 GeV. Hlavný injektor je ďalším článkom reťaze urýchľovača. Bol dokončený v roku 1999 a stal sa "prepínačom častíc" Fermilabu s tromi funkciami: urýchľuje protóny, dodáva protóny na výrobu antiprotónov a urýchľuje antiprotóny pochádzajúce z antiprotónového zdroja. Posledným urýchľovačom bol Tevatron. Bol to druhý najvýkonnejší urýchľovač častíc na svete (najvýkonnejší je Veľký hadrónový urýchľovač v CERN-e). Protóny a antiprotóny, pohybujúce sa takmer rýchlosťou svetla, obiehajú okolo Tevatronu v opačných smeroch. Fyzici koordinujú zväzky tak, aby sa zrážali v stredoch dvoch 5 000-tonových detektorov DØ a CDF vo vnútri tunela Tevatronu pri energiách 1,96 TeV, čím odhaľujú podmienky vzniku hmoty v ranom vesmíre a jeho štruktúru v najmenšej mierke. Tevatron sa mení na múzeum.

Súčasťou lineárneho urýchľovača je aj liečebné zariadenie. Lekári liečia ľudí s rakovinou tak, že do ich nádorov vystreľujú protóny alebo neutróny z urýchľovača.

Kruhy urýchľovača Fermilab

Experimenty

• Holometer interferometer
• Protón-antiprotónový urýchľovač Tevatron: DØ a detektor v urýchľovači vo Fermilabe
• MiniBooNE: Mini Booster Neutrino Experiment
• Sciboone: SciBar Booster Neutrino Experiment
• MINOS: Hľadanie oscilácie neutrín v hlavnom injektore
• MINERνA: Hlavný INjector ExpeRiment s νs na As
• NOνA: NuMI Mimo osi νe Vzhľad
• MIPP: Produkcia častíc hlavného vstrekovača