Фермилаб - Fermilab

Национальная ускорительная лаборатория Ферми
Fermilab logo.svg
Фермилаб satellite.gif
Спутниковый вид на Фермилаб. Две круглые структуры - это кольцо главного инжектора (меньшее) и тэватрон (большее).
Учредил 21 ноября 1967 г. (в качестве Национальной ускорительной лаборатории)
Тип исследования Физика ускорителя
Бюджет 546 миллионов долларов (2019)
Поле исследований
Физика ускорителя
Директор Найджел С. Локьер
Адрес А / я 500
Место нахождения Винфилд, округ Дюпейдж , штат Иллинойс , США
41 ° 49′55 ″ с.ш. 88 ° 15′26 ″ з.д. / 41,83194 ° с.ш.88,25722 ° з.д. / 41.83194; -88,25722 Координаты : 41 ° 49′55 ″ с.ш. 88 ° 15′26 ″ з.д. / 41,83194 ° с.ш.88,25722 ° з.д. / 41.83194; -88,25722
Ник Фермилаб
Принадлежности Департамент энергетики США, Исследовательская ассоциация
университетов Чикагского
университета
Леон Макс Ледерман
Веб-сайт www .fnal .gov
карта
Фермилаб находится в Иллинойсе.
Фермилаб
Расположение в Иллинойсе

Национальная ускорительная лаборатория Ферми ( Fermilab ), расположенная недалеко от Батавии, штат Иллинойс , недалеко от Чикаго , является национальной лабораторией Министерства энергетики США, специализирующейся на физике частиц высоких энергий . С 2007 года , Fermilab эксплуатировался Исследовательским альянсом Ферми, совместное предприятие в Университете Чикаго , и Ассоциации университетов Исследовательского (URA). Фермилаб является частью Коридора технологий и исследований штата Иллинойс .

Тэватрон Фермилаба был знаковым ускорителем элементарных частиц ; до запуска в 2008 году Большого адронного коллайдера (LHC) недалеко от Женевы, Швейцария, он был самым мощным ускорителем частиц в мире, ускоряющим протоны и антипротоны до энергий 980  ГэВ и производящим протон-протонные столкновения с энергиями до 1,96  ТэВ , первый ускоритель, достигший энергии в один тераэлектронвольт. На высоте 3,9 мили (6,3 км) это был четвертый по величине ускоритель частиц в мире по окружности. Одним из его наиболее важных достижений было открытие в 1995 году топ-кварка , объявленное исследовательскими группами, использующими детекторы CDF и D0 Тэватрона . Он был закрыт в 2011 году. С тех пор главный инжектор Фермилаба, окружность которого составляет две мили (3,3 км), является самым мощным ускорителем частиц в лаборатории. Строительство первого корпуса нового линейного ускорителя PIP-II началось в 2020 году.

ФНАЛ хозяин NEUTRINO эксперименты, такие как MicroBooNE (Микро Бустер Нейтринного эксперимента), ICARUS (Imaging космическое и редкие подземные сигналы), NOνA ( Numi внеосевого v , е Внешнего вид) и Мюонного г-2 . Выполненные эксперименты нейтрино включают Минос (Main Injector Нейтринного Колебания поиска), MINOS + , MiniBooNE и SciBooNE (SciBar Бустера Neutrino Experiment), а также SeaQuest фиксированной мишени эксперимента. Детектор MiniBooNE представлял собой сферу диаметром 40 футов (12 м), содержащую 800 тонн минерального масла, покрытую 1520 детекторами из фототрубок . По оценкам, ежегодно регистрируется 1 миллион нейтринных событий. SciBooNE находился в том же пучке нейтрино, что и MiniBooNE, но имел возможность детального отслеживания. В эксперименте NOνA и в эксперименте MINOS используется пучок NuMI (нейтрино в главном инжекторе) Fermilab , который представляет собой интенсивный пучок нейтрино, который проходит 455 миль (732 км) через Землю к шахте Судан в Миннесоте и реке Эш. , Миннесота, местонахождение дальнего детектора NOνA. В 2017 году нейтринный эксперимент ICARUS был перенесен из ЦЕРНа в Фермилаб, и его планируется начать в 2020 году.

Фермилаб также занимается исследованиями в области квантовой информатики. В 2019 году он основал Fermilab Quantum Institute. С 2020 года здесь также находится центр SQMS (Superconducting Quantum and Materials Science).

В общественной сфере Фермилаб является домом для проекта восстановления естественной экосистемы прерий и проводит множество культурных мероприятий: публичные научные лекции и симпозиумы, концерты классической и современной музыки, галереи народных танцев и искусств. Обычно сайт открыт с рассвета до заката для посетителей, предъявивших действительное удостоверение личности с фотографией , хотя он был временно закрыт для публики с марта 2020 года из-за пандемии COVID-19 .

Астероид 11998 Фермилаб назван в честь лаборатории.

История

Роберт Рэтбун Уилсон Холл

Уэстон, штат Иллинойс , был поселением рядом с Батавией , за которое в 1966 году совет деревни проголосовал за то, чтобы предоставить участок для Фермилаба.

Лаборатория была основана в 1969 году как Национальная ускорительная лаборатория ; в 1974 году она была переименована в честь Энрико Ферми . Первым директором лаборатории был Роберт Ратбун Уилсон , при котором лаборатория открылась раньше срока и в рамках бюджета. Многие скульптуры на сайте созданы им. Он является тезкой высотного лабораторного здания, уникальная форма которого стала символом Фермилаба и является центром деятельности на территории кампуса.

После того, как Уилсон ушел в отставку в 1978 году в знак протеста против отсутствия финансирования лаборатории, Леон М. Ледерман взял на себя эту работу. Именно под его руководством оригинальный ускоритель был заменен на Тэватрон, ускоритель, способный сталкивать протоны и антипротоны с общей энергией 1,96 ТэВ. Ледерман ушел в отставку в 1989 году и оставался почетным директором до своей смерти. В его честь назван научно-образовательный центр на этом месте.

К последним директорам относятся:

Фермилаб продолжает участвовать в работе на Большом адронном коллайдере (LHC); он служит сайтом уровня 1 во всемирной вычислительной сети LHC.

Ускорители

Текущее состояние

С 2013 года первая стадия процесса ускорения (инжектор предускорителя) в цепочке ускорителей Фермилаб проходит в двух источниках ионов, которые превращают газообразный водород в ионы H - . Газ вводится в контейнер, покрытый молибденовыми электродами, каждый из которых представляет собой катод овальной формы размером со спичечный коробок и окружающий его анод, разделенные на 1 мм и удерживаемые на месте стеклокерамическими изоляторами. Магнетрон генерирует плазму для образования ионов у поверхности металла. Ионы ускоряются источником до 35  кэВ и согласовываются с помощью низкоэнергетического переноса пучка (LEBT) в радиочастотный квадруполь (RFQ), который создает электростатическое поле 750  кэВ, дающее ионам второе ускорение. На выходе из RFQ пучок согласовывается с помощью транспорта пучка средней энергии (MEBT) на входе в линейный ускоритель (линейный ускоритель).

Следующая ступень ускорения - линейный ускоритель частиц (линейный ускоритель). Этот этап состоит из двух сегментов. Первый сегмент имеет 5 вакуумных камер для дрейфовых трубок, работающих на частоте 201 МГц. Вторая ступень имеет 7 резонаторов с боковой связью, работающих на частоте 805 МГц. В конце линейного ускорителя частицы ускоряются до 400  МэВ , или примерно 70% скорости света . Непосредственно перед входом в следующий ускоритель ионы H - проходят через углеродную фольгу, становясь ионами H + ( протонами ).

Полученные протоны затем попадают в бустерное кольцо, круговой ускоритель с окружностью 468 м (1535 футов), магниты которого изгибают пучки протонов по круговой траектории. Протоны проходят вокруг бустера около 20 000 раз за 33 миллисекунды, добавляя энергию с каждым оборотом, пока не покинут бустер, разогнанный до 8  ГэВ .

Окончательное ускорение прикладывается Главным инжектором [окружность 3 319,4 м (10 890 футов)], который является меньшим из двух колец на последнем изображении ниже (передний план). Завершенный в 1999 году, он стал "коммутатором частиц" Фермилаба, поскольку он может направлять протоны в любой из экспериментов, установленных вдоль линий пучка, после их ускорения до 120 ГэВ. До 2011 года Главный Инжектор не предусмотрены протоны к антипротонному кольцу [окружности 6,283.2 м (20614 футов)] и тэватрон для дальнейшего ускорения , но теперь обеспечивает последний толчок до того , как частицы достигают эксперименты пучка линий.

План улучшения протонов

Признавая более высокие требования к протонным пучкам для поддержки новых экспериментов, Фермилаб начал совершенствовать свои ускорители в 2011 году. Предполагается, что проект будет продолжаться много лет, проект состоит из двух этапов: План улучшения протонов (PIP) и План улучшения протонов-II (PIP-II) .

ПГИ (2011–2018 гг.)

Общие цели PIP - увеличить частоту повторения луча Booster с 7 Гц до 15 Гц и заменить старое оборудование для повышения надежности работы. Перед запуском проекта PIP шла замена форсунки предускорителя. Замена почти 40-летних генераторов Кокрофта – Уолтона на RFQ началась в 2009 году и завершилась в 2012 году. На этапе линейного ускорителя модули аналогового монитора положения луча (BPM) были заменены цифровыми платами в 2013 году. Замена вакуумных насосов линейного ускорителя. и соответствующее оборудование, как ожидается, будет завершено в 2015 году. Исследования по замене дрейфовых трубок 201 МГц все еще продолжаются. На стадии повышения главный компонент PIP - это модернизировать усилительное кольцо до 15 Гц. Booster имеет 19 радиочастотных станций. Первоначально Бустерные станции работали без твердотельной системы привода, что было приемлемо для работы на 7 Гц, но не на 15 Гц. Демонстрационный проект в 2004 году преобразовал одну из станций в твердотельный накопитель до проекта PIP. В рамках проекта оставшиеся станции были переведены на твердотельные в 2013 году. Другой важной частью проекта PIP является ремонт и замена 40-летних бустерных полостей. Многие резонаторы были отремонтированы и протестированы для работы на частоте 15 Гц. Завершение ремонта резонатора ожидается в 2015 году, после чего частоту повторения можно будет постепенно увеличить до 15 Гц. Более длительная модернизация заключается в замене бустерных полостей на новую конструкцию. В настоящее время ведутся исследования и разработки новых резонаторов, замена которых ожидается в 2018 году.

PIP-II
Прототипы полостей SRF для использования в последнем сегменте линейного ускорителя PIP-II

Цели PIP-II включают план по доставке 1,2 МВт мощности пучка протонов от главного инжектора до цели эксперимента Deep Underground Neutrino на 120 ГэВ и мощности около 1 МВт при 60 ГэВ с возможностью увеличения мощности до 2 МВт. в будущем. План также должен поддерживать текущие эксперименты на 8 ГэВ, включая Mu2e, Muon g − 2 и другие нейтринные эксперименты с короткой базой. Для этого требуется модернизация линейного ускорителя для подачи в бустер 800 МэВ. Первый рассмотренный вариант заключался в добавлении сверхпроводящего линейного ускорителя «дожигателя» на 400 МэВ в конце существующего 400 МэВ. Это потребовало бы перемещения существующего линейного ускорителя на 50 метров (160 футов). Однако при таком подходе было много технических проблем. Вместо этого Фермилаб строит новый сверхпроводящий линейный ускоритель на 800 МэВ, который будет вводиться в бустерное кольцо. Строительство первого здания для ускорителя PIP-II началось в 2020 году. Новый участок линейного ускорителя будет расположен на вершине небольшой части Теватрона рядом с кольцом ускорителей, чтобы использовать преимущества существующей электрической, водной и криогенной инфраструктуры. Линейный ускоритель PIP-II будет иметь линию передачи луча низкой энергии (LEBT), радиочастотный квадруполь (RFQ) и линию передачи луча средней энергии (MEBT), работающую при комнатной температуре на частоте 162,5 МГц и энергии, увеличивающейся с 0,03 МэВ. Первый сегмент линейного ускорителя будет работать на частоте 162,5 МГц, а энергия будет увеличена до 11 МэВ. Второй сегмент линейного ускорителя будет работать на частоте 325 МГц, а энергия будет увеличена до 177 МэВ. Последний сегмент линейного ускорителя будет работать на частоте 650 МГц и будет иметь конечный уровень энергии 800 МэВ.

Эксперименты

Архитектура

Интерьер Wilson Hall

Первый директор Fermilab Роберт Уилсон настоял на том, чтобы эстетический вид объекта не был омрачен совокупностью зданий из бетонных блоков. Дизайн административного здания (Wilson Hall) был вдохновлен собором Святого Пьера в Бове , Франция , хотя он был выполнен в стиле брутализма . Некоторые из зданий и скульптур в резервации Фермилаб представляют собой различные математические конструкции как часть своей структуры.

Архимедова спираль является определяющей формой нескольких насосных станций , а также здания , в котором эксперимент MINOS. Отражающий пруд в Уилсон-холле также демонстрирует гиперболический обелиск высотой 32 фута (9,8 м) , спроектированный Уилсоном. Некоторые из высоковольтных линий передачи энергии через территорию лаборатории построены так, чтобы повторять греческую букву π . Также можно найти структурные примеры двойной спирали ДНК и ссылки на геодезическую сферу .

Скульптуры Уилсона на этом месте включают Tractricious , отдельно стоящее сооружение из стальных труб рядом с промышленным комплексом, построенное из деталей и материалов, переработанных с коллайдера Tevatron, и парящую сломанную симметрию , которая встречает тех, кто входит в кампус через вход с Pine Street. Венцом Ramsey Auditorium является изображение ленты Мебиуса диаметром более 8 футов (2,4 м). Также по подъездным путям и деревне разбросаны массивный гидравлический пресс и старые магнитные защитные каналы, все выкрашенные в синий цвет.

Текущие события

Фермилаб демонтировал эксперимент CDF ( детектор коллайдера в Фермилабе ), чтобы освободить место для IARC (Иллинойсский центр исследований ускорителей). Строительные работы начались для LBNF / DUNE и PIP-II, в то время как эксперименты NOνA и Muon g-2 продолжают сбор данных. Лаборатория также проводит исследования в области квантовой информатики, включая разработку технологии телепортации для квантового Интернета и увеличение срока службы сверхпроводящих резонаторов для использования в квантовых компьютерах.

LBNF / DUNE

Фермилаб с 2016 года может стать мировым лидером в области физики нейтрино благодаря эксперименту с глубокими подземными нейтрино на установке нейтрино с длинной базой . Другими лидерами являются ЦЕРН , который является лидером в области физики ускорителей с Большим адронным коллайдером (LHC), и Япония, которая получила разрешение на создание и возглавление Международного линейного коллайдера (ILC). Фермилаб станет местом размещения будущего луча LBNF, а подземный исследовательский центр Сэнфорда (SURF) в Лиде, штат Южная Дакота , - это место, выбранное для размещения массивного дальнего детектора. Термин «базовая линия» относится к расстоянию между источником нейтрино и детектором. Конструкция дальнего детектора по току рассчитана на четыре модуля инструментального жидкого аргона с контрольным объемом 10 килотонн каждый. Ожидается, что первые два модуля будут завершены в 2024 году, а луч заработает в 2026 году. Последний модуль планируется ввести в эксплуатацию в 2027 году. Большой прототип детектора, созданный в ЦЕРНе, собирал данные с тестовым лучом за 2018–2020 годы. Результаты показывают, что ProtoDUNE работает с эффективностью более 99%.

Программа LBNF / DUNE в области физики нейтрино планирует измерять фундаментальные физические параметры с высокой точностью и исследовать физику за пределами Стандартной модели . Ожидается, что измерения, которые выполнит DUNE, значительно улучшат понимание физическим сообществом нейтрино и их роли во Вселенной, тем самым лучше объясняя природу материи и антиматерии. Он направит пучок нейтрино с самой высокой в ​​мире интенсивностью к ближнему детектору на площадке Фермилаба и дальнему детектору в 800 милях (1300 км) от SURF.

Мюон g − 2

Мюон g − 2 : (произносится как «ну и ну, минус два») - эксперимент по физике элементарных частиц по измерению аномалии магнитного момента мюона с точностью до 0,14  ppm , что будет чувствительной проверкой Стандартной модели .

Здание мюона g − 2 (белое и оранжевое), в котором находится магнит

ФНАЛ продолжает эксперимента , проведенного в Brookhaven National Laboratory для измерения аномального магнитного дипольного момента от мюона .

Магнитный дипольный момент ( g ) заряженного лептона ( электрона , мюона или тау ) очень близок к 2. Разница от 2 («аномальная» часть) зависит от лептона и может быть вычислена довольно точно на основе тока. Стандартная модель физики элементарных частиц . Измерения электрона полностью согласуются с этим расчетом. В эксперименте в Брукхейвене это измерение было выполнено для мюонов, что является гораздо более сложным с технической точки зрения из-за их короткого времени жизни, и было обнаружено заманчивое, но не окончательное расхождение σ между измеренным значением и вычисленным.

Эксперимент в Брукхейвене закончился в 2001 году, но 10 лет спустя Фермилаб приобрел оборудование и работает над более точным измерением (меньшее  σ ), которое либо устранит расхождение, либо, будем надеяться, подтвердит его как экспериментально наблюдаемый пример физики за пределами Стандартная модель .

Транспортировка 600-тонного магнита в Фермилаб.

Центральным элементом эксперимента является сверхпроводящий магнит диаметром 50 футов с исключительно однородным магнитным полем. Он был доставлен целиком из Брукхейвена на Лонг-Айленде , штат Нью-Йорк, в Фермилаб летом 2013 года. Поездка прошла 3200 миль за 35 дней, в основном на барже вниз по Восточному побережью и вверх по Миссисипи .

Магнит был отремонтирован и включен в сентябре 2015 года, и было подтверждено, что он такой же. Основная однородность магнитного поля 1300  ppm p-p, которая была у него до движения.

Проект работал над регулировкой шайб магнита для улучшения однородности магнитного поля. Это было сделано в Брукхейвене, но переезд помешал, и его пришлось переделывать в Фермилабе.

В 2018 году в Фермилабе начался эксперимент по сбору данных. В 2021 году лаборатория сообщила, что результаты первоначального исследования с участием частицы бросили вызов Стандартной модели с потенциалом открытия новых сил и частиц.

Физический центр LHC (LPC)

Физический центр LHC (LPC) в Фермилабе является региональным центром Коллаборации компактных мюонных соленоидов (эксперимент находится в ЦЕРНе ). LPC предлагает активное сообщество ученых CMS из США и играет важную роль в вводе в эксплуатацию детектора CMS, а также в проектировании и разработке модернизации детектора.

Открытие частиц

Летом 1977 года группа физиков во главе с Леоном М. Ледерманом , работавшая над Экспериментом 288 , в центральной линии пучка протонов фиксированных целевых областей Фермилаб, открыла ипсилон ( нижний кварк ).

Эксперименты CDF и D0 объявили об открытии топ-кварка в 1995 году.

Об открытии тау-нейтрино было объявлено в июле 2000 года коллаборацией DONUT .

3 сентября 2008 г. открытие новой частицы - нижнего омега-бариона (
Ω-
б
) был анонсирован на эксперименте DØ в Фермилабе. Он состоит из двух странных кварков и нижнего кварка . Это открытие помогает дополнить «периодическую таблицу барионов» и дает представление о том, как кварки образуют материю.

Дикая природа в Фермилабе

В 1967 году Уилсон привел на место пять американских бизонов , быка и четырех коров, а еще 21 коров предоставил Департамент охраны природы штата Иллинойс. Некоторые напуганные местные жители сначала полагали, что зубры были введены, чтобы служить сигналом тревоги, если и когда радиация в лаборатории достигнет опасного уровня, но Фермилаб заверил их, что это утверждение не имеет оснований. Сегодня стадо - популярная достопримечательность, привлекающая множество посетителей, а территория также является убежищем для других местных популяций диких животных. Рождественский подсчет птиц проводится в лаборатории каждый год с 1976 года.

Сотрудничая с Лесным заповедником округа Дюпейдж , Fermilab представила сипух для избранных построек вокруг территории.

В популярной культуре

Фермилаб упоминается в нескольких эпизодах американского телевизионного ситкома «Теория большого взрыва» .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки