Fermilab

Historie

V období mezi druhou světovou válkou a 60. lety 20. století financovala federální vláda různé urychlovače částic na konkurenčních univerzitách za účelem vybudování experimentů v oblasti fyziky vysokých energií. Nejvýznamnější byly Stanfordský lineární urychlovač (SLAC), který vysílal částice po přímce, Brookhavenská národní laboratoř na SUNY Stoney Brook a synchrotron Cornellovy univerzity, který vysílal částice dokola, aby na ně mohly mnohokrát působit stejné magnety. V 60. letech 20. století byly náklady na stavbu větších urychlovačů atomů příliš vysoké na to, aby je mohl financovat každý jednotlivý kampus, a velikost prstence pro další kruhový urychlovač by byla příliš velká na to, aby se vešel do stávajícího univerzitního kampusu. Proto se federální vláda rozhodla založit nové pracoviště, které by provozovali fyzikové z několika univerzit. Uspořádali soutěž na výběr místa, ale politici bojovali za to, aby to bylo v Illinois.

Weston ve státě Illinois byl obcí v sousedství města Batavia. Jednalo se o subdivizi montovaných domů, která vznikla na počátku 60. let 20. století. Prodej byl velmi pomalý, a tak se developeři snažili přilákat Fermilab jako nového zaměstnavatele na okraji nového města. Ukázalo se však, že množství potřebných pozemků by pohltilo celé město. Město tedy odhlasovalo, že všechny pozemky včetně postavených domů prodá společnosti Fermilab. Město poté zaniklo.

Laboratoř byla založena v roce 1967 jako National Accelerator Laboratory, v roce 1974 byla přejmenována na počest Enrica Fermiho. Prvním ředitelem laboratoře byl Robert Rathbun Wilson. Wilson vytvořil mnoho soch v areálu. Připisuje se mu zásluha na tom, že byla dokončena předčasně a pod stanoveným rozpočtem. Na jeho počest je v areálu pojmenována výšková budova laboratoře, jejíž jedinečný tvar se stal symbolem Fermilabu a která je centrem dění v areálu.

Než byly nové budovy dokončeny, vědci se přestěhovali do domů ve Westonu a přestěhovali tam také všechny hospodářské budovy ve Fermilabu, které sloužily jako kancelářské prostory. Weston přejmenovali na "Fermilab Village". Stále v ní bydlí hostující vědci.

Wilson přivedl tým, který postavil Cornellův synchrotron, aby pomohl vybudovat původní urychlovač o energii 200 GeV. Tento urychlovač zastaral díky dvěma důležitým vynálezům: supravodivým magnetům a použití stejného akceleračního prstence k vysílání dvou skupin částic v opačných směrech, takže při srážce budou mít dvojnásobnou energii.

Poté, co Wilson v roce 1978 na protest proti nedostatečnému financování laboratoře odstoupil, převzal její vedení Leon M. Lederman. Pod jeho vedením byl původní urychlovač nahrazen urychlovačem Tevatron. Nový urychlovač byl schopen srážet proton a antiproton při kombinované energii 1,96 TeV. Lederman odstoupil z funkce v roce 1988 a zůstává emeritním ředitelem. Na jeho počest bylo na místě pojmenováno vědecké vzdělávací centrum (které slouží studentům i široké veřejnosti).

V letech 1988 až 1998 vedl laboratoř John Peoples. Od té doby do 30. června 2005 vedl laboratoř Michael S. Witherell. Dne 19. listopadu 2004 byla Piermaria Oddoneová, bývalá pracovnice Lawrence Berkeley National Laboratory v Kalifornii, oznámena jako nová ředitelka Fermilabu. Oddone nastoupil do funkce ředitele 1. července 2005.

Fermilab se i nadále podílí na práci v LHC, mimo jiné jako pracoviště Tier 1 v celosvětové výpočetní síti LHC. Stát Illinois financuje novou budovu Illinois Accelerator Research Center ve Fermilabu pro vědce a průmyslové partnery.

Robert Rathbun Wilson Hall

Urychlovače

První fáze procesu urychlování probíhá v Cockcroftově-Waltonově generátoru. Při ní se odebírá plynný vodík a přeměňuje se na ionty H tak, že se zavede do nádoby vyložené molybdenovými elektrodami: katodou oválného tvaru velikosti krabičky od zápalek a okolní anodou, které jsou od sebe vzdáleny 1 mm a drží je na místě sklokeramické izolátory. Magnetron se používá k vytvoření plazmatu, které vytváří H- v blízkosti povrchu kovu. Cockcroftův-Waltonův generátor přivádí elektrostatické pole 750 keV a ionty jsou urychlovány ven z nádoby. Dalším krokem je lineární urychlovač (neboli linac), který částice urychlí na 400 MeV, tedy asi na 70 % rychlosti světla. Těsně před vstupem do dalšího urychlovače projdou ionty H- uhlíkovou fólií a stanou se ionty H+ (protony).

Dalším krokem je posilovací kroužek. Urychlovací prstenec je kruhový urychlovač o obvodu 468 m, který pomocí magnetů ohýbá paprsky protonů po kruhové dráze. Protony vycházející z Linacu projdou kolem boosteru asi 20 000krát za 33 milisekund, takže opakovaně zažívají elektrické pole. S každou otáčkou nabývají protony více energie a opouštějí Booster s energií 8 GeV. Dalším článkem řetězce urychlovače je hlavní injektor. Byl dokončen v roce 1999 a stal se "přepojovačem částic" Fermilabu se třemi funkcemi: urychluje protony, dodává protony pro výrobu antiprotonů a urychluje antiprotony pocházející z antiprotonového zdroje. Posledním urychlovačem byl Tevatron. Byl to druhý nejvýkonnější urychlovač částic na světě (nejvýkonnější je Velký hadronový urychlovač v CERN). Protony a antiprotony, pohybující se téměř rychlostí světla, krouží kolem Tevatronu v opačných směrech. Fyzikové koordinují svazky tak, aby se srážely ve středech dvou pětitisícitunových detektorů DØ a CDF uvnitř tunelu Tevatronu při energiích 1,96 TeV a odhalily tak podmínky vzniku hmoty v raném vesmíru a jeho strukturu v nejmenším měřítku. Tevatron se přeměňuje na muzeum.

Součástí lineárního urychlovače je také léčebné zařízení. Lékaři léčí lidi s rakovinou tím, že do jejich nádorů vystřelují protony nebo neutrony z urychlovače.

Urychlovací kruhy Fermilabu

Experimenty

• Holometrický interferometr
• Proton-antiprotonový urychlovač Tevatron: DØ a detektor srážeče ve Fermilabu
• MiniBooNE: Mini Booster Neutrino Experiment
• Sciboone: SciBar Booster Neutrino Experiment
• MINOS: Hledání oscilace neutrin v hlavním injektoru
• MINERνA: Hlavní INjektor ExpeRiment s νs na As
• NOνA: NuMI Mimo osu νe Vzhled
• MIPP: Produkce částic hlavního vstřikovače