Fermilab - Fermilab

Fermi Nationales Beschleunigerlabor
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Eine Satellitenansicht von Fermilab. Die beiden kreisförmigen Strukturen sind der Hauptinjektorring (kleiner) und Tevatron (größer).
Gegründet 21. November 1967 (als National Accelerator Laboratory)
Forschungstyp Beschleunigerphysik
Budget 546 Millionen US-Dollar (2019)
Forschungsgebiet
Beschleunigerphysik
Direktor Nigel S. Lockyer
Die Anschrift Postfach 500
Standort Winfield Township, DuPage County , Illinois , Vereinigte Staaten
41°49′55″N 88°15′26″W / 41,83194°N 88,25722°W / 41.83194; -88.25722 Koordinaten : 41°49′55″N 88°15′26″W / 41,83194°N 88,25722°W / 41.83194; -88.25722
Spitzname Fermilab
Mitgliedschaften US Department of Energy
University of Chicago
Universities Research Association
Leon Max Ledermann
Webseite www .fnal .gov
Karte
Fermilab hat seinen Sitz in Illinois
Fermilab
Standort in Illinois

Fermi National Accelerator Laboratory ( Fermilab ), etwas außerhalb Batavia, Illinois , in der Nähe von Chicago , ist ein United States Department of Energy National Laboratory , spezialisiert auf Hochenergie - Teilchenphysik . Seit 2007 wird Fermilab von der Fermi Research Alliance, einem Joint Venture der University of Chicago , und der Universities Research Association (URA) betrieben. Fermilab ist ein Teil des Illinois Technologie- und Forschungskorridors .

Fermilabs Tevatron war ein wegweisender Teilchenbeschleuniger ; bis zur Inbetriebnahme des Large Hadron Collider (LHC) in der Nähe von Genf im Jahr 2008 war er der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, beschleunigte Protonen und Antiprotonen auf Energien von 980  GeV und erzeugte Proton-Proton-Kollisionen mit Energien von bis zu 1,96  TeV , der erste Beschleuniger, der eine "Tera-Elektronen-Volt"-Energie erreicht. Mit 3,9 Meilen (6,3 km) war es der viertgrößte Teilchenbeschleuniger der Welt im Umfang. Eines seiner wichtigsten Errungenschaften war die 1995 Entdeckung des Top - Quarks von Forschungsteams angekündigt Tevatron die mit CDF und Detektoren. Es wurde 2011 abgeschaltet. Seitdem ist der Hauptinjektor von Fermilab mit einem Umfang von zwei Meilen (3,3 km) der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger des Labors. Der Bau des ersten Gebäudes für den neuen Linearbeschleuniger PIP-II begann im Jahr 2020.

Fermilab beherbergt Neutrino- Experimente wie MicroBooNE (Micro Booster Neutrino Experiment), ICARUS (Imaging Cosmic and Rare Underground Signals), NOνA ( NuMI Off-Axis ν e Appearance) und Muon g-2 . Zu den abgeschlossenen Neutrino-Experimenten gehören MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), MINOS+ , MiniBooNE und SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) sowie das SeaQuest Fixed-Target-Experiment. Der MiniBooNE-Detektor war eine Kugel mit einem Durchmesser von 12 m, die 800 Tonnen Mineralöl enthielt und mit 1.520 Fotoröhren-Detektoren ausgekleidet war . Schätzungsweise 1 Million Neutrino-Ereignisse wurden jedes Jahr aufgezeichnet. SciBooNE saß im gleichen Neutrinostrahl wie MiniBooNE, hatte aber feinkörnige Tracking-Fähigkeiten. Das NOνA-Experiment verwendet und das MINOS-Experiment verwendet den NuMI - Strahl (Neutrinos at the Main Injector) von Fermilab , einen intensiven Neutrinostrahl, der 732 km durch die Erde zur Soudan-Mine in Minnesota und zum Ash River wandert , Minnesota, Standort des NOνA-Ferndetektors. 2017 wurde das Neutrino-Experiment ICARUS vom CERN nach Fermilab verlegt und soll 2020 in Betrieb gehen.

Fermilab betreibt auch Forschung in der Quanteninformationswissenschaft. Es hat 2019 das Fermilab Quantum Institute gegründet. Seit 2020 beherbergt es auch das SQMS-Zentrum (Supraconductor Quantum and Materials Science).

Im öffentlichen Bereich beherbergt Fermilab ein Projekt zur Wiederherstellung des Ökosystems der einheimischen Prärie und beherbergt viele kulturelle Veranstaltungen: öffentliche Wissenschaftsvorträge und Symposien, klassische und zeitgenössische Musikkonzerte, Volkstanz und Kunstgalerien. Normalerweise ist die Website von morgens bis abends für Besucher geöffnet, die einen gültigen Lichtbildausweis vorlegen , obwohl sie seit März 2020 wegen der COVID-19-Pandemie vorübergehend für die Öffentlichkeit geschlossen ist .

Asteroid 11998 Fermilab ist zu Ehren des Labors benannt.

Geschichte

Robert Rathbun Wilson Hall

Weston, Illinois , war eine Gemeinde neben Batavia, die 1966 vom Dorfvorstand abgeschafft wurde, um einen Standort für Fermilab bereitzustellen.

Das Labor wurde 1969 als National Accelerator Laboratory gegründet ; es wurde 1974 zu Ehren von Enrico Fermi umbenannt. Der erste Direktor des Labors war Robert Rathbun Wilson , unter dem das Labor vorzeitig und unter Budget eröffnet wurde. Viele der Skulpturen auf der Website stammen von ihm. Er ist Namensgeber des Laborhochhauses des Standorts, dessen einzigartige Form zum Symbol des Fermilab geworden ist und das Zentrum des Geschehens auf dem Campus ist.

Nachdem Wilson 1978 zurückgetreten war, um gegen die fehlende Finanzierung des Labors zu protestieren, übernahm Leon M. Lederman den Job. Unter seiner Leitung wurde der ursprüngliche Beschleuniger durch den Tevatron ersetzt, einen Beschleuniger, der Protonen und Antiprotonen bei einer kombinierten Energie von 1,96 TeV kollidieren kann . Lederman trat 1989 zurück und blieb bis zu seinem Tod emeritierter Direktor. Das wissenschaftliche Bildungszentrum am Standort wurde ihm zu Ehren benannt.

Zu den späteren Direktoren gehören:

Fermilab beteiligt sich weiterhin an den Arbeiten am Large Hadron Collider (LHC); es dient als Tier-1-Standort im Worldwide LHC Computing Grid.

Beschleuniger

Aktuellen Zustand

Die erste Stufe des Beschleunigungsprozesses (Prä-Beschleuniger-Injektor) in der Fermilab-Beschleunigerkette findet seit 2013 in zwei Ionenquellen statt, die Wasserstoffgas in H -Ionen umwandeln. Das Gas wird in einen mit Molybdän-Elektroden ausgekleideten Behälter, jeweils einer streichholzschachtelgroßen, ovalen Kathode und einer umlaufenden Anode, im Abstand von 1 mm eingebracht und durch Glaskeramik-Isolatoren festgehalten. Ein Magnetron erzeugt ein Plasma, um die Ionen nahe der Metalloberfläche zu bilden. Die Ionen werden von der Quelle auf 35 keV beschleunigt  und durch Low Energy Beam Transport (LEBT) in den Hochfrequenz-Quadrupol (RFQ) angepasst, der ein elektrostatisches Feld von 750  keV anlegt, das den Ionen ihre zweite Beschleunigung verleiht. Am Ausgang von RFQ wird der Strahl durch Medium Energy Beam Transport (MEBT) in den Eingang des Linearbeschleunigers (Linac) gematcht.

Die nächste Beschleunigungsstufe ist der Linearteilchenbeschleuniger (Linac). Diese Phase besteht aus zwei Segmenten. Das erste Segment hat 5 Vakuumgefäße für Driftröhren, die mit 201 MHz arbeiten. Die zweite Stufe hat 7 seitlich gekoppelte Hohlräume, die bei 805 MHz arbeiten. Am Ende von Linac werden die Teilchen auf 400  MeV oder etwa 70 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt . Unmittelbar vor dem Eintritt in den nächsten Beschleuniger passieren die H -Ionen eine Kohlenstofffolie und werden zu H + -Ionen ( Protonen ).

Die resultierenden Protonen treten dann in den Booster-Ring ein, einen Kreisbeschleuniger mit einem Umfang von 468 m (1.535 ft), dessen Magnete Protonenstrahlen auf einer Kreisbahn biegen. Die Protonen umrunden den Booster etwa 20.000 Mal in 33 Millisekunden und fügen bei jeder Umdrehung Energie hinzu, bis sie den Booster auf 8 GeV beschleunigt verlassen  .

Die Endbeschleunigung wird durch den Hauptinjektor [Umfang 3.319,4 m (10.890 ft)] aufgebracht, der der kleinere der beiden Ringe im letzten Bild unten (Vordergrund) ist. Es wurde 1999 fertiggestellt und ist zu Fermilabs "Teilchenschaltanlage" geworden, da es Protonen zu jedem der Experimente leiten kann, die entlang der Strahllinien installiert sind, nachdem sie auf 120 GeV beschleunigt wurden. Bis 2011 versorgte der Hauptinjektor den Antiprotonenring [Umfang 6.283,2 m (20.614 ft)] mit Protonen und das Tevatron zur weiteren Beschleunigung, liefert aber jetzt den letzten Schub, bevor die Teilchen die Strahllinienexperimente erreichen.

Protonenverbesserungsplan

Fermilab erkannte den höheren Bedarf an Protonenstrahlen zur Unterstützung neuer Experimente und begann 2011 mit der Verbesserung seiner Beschleuniger. Das Projekt wird voraussichtlich viele Jahre andauern und besteht aus zwei Phasen: Proton Improvement Plan (PIP) und Proton Improvement Plan-II (PIP-II). .

PIP (2011–2018)

Die übergeordneten Ziele von PIP bestehen darin, die Wiederholrate des Booster-Strahls von 7 Hz auf 15 Hz zu erhöhen und alte Hardware zu ersetzen, um die Zuverlässigkeit des Betriebs zu erhöhen. Vor Beginn des PIP-Projekts war ein Austausch des Vorbeschleuniger-Injektors im Gange. Der Austausch der fast 40 Jahre alten Cockcroft-Walton-Generatoren durch RFQ begann 2009 und wurde 2012 abgeschlossen. In der Linac-Phase wurden die analogen Beam Position Monitor (BPM)-Module 2013 durch digitale Platinen ersetzt. Ein Austausch der Linac-Vakuumpumpen und zugehörige Hardware wird voraussichtlich 2015 fertiggestellt. Eine Studie zum Austausch von 201 MHz-Driftröhren ist noch im Gange. In der Boosting-Phase besteht eine Hauptkomponente des PIP darin, den Booster-Ring auf 15 Hz-Betrieb aufzurüsten. Der Booster verfügt über 19 Radiofrequenzsender. Ursprünglich wurden die Booster-Stationen ohne Solid-State- Drive-System betrieben, was für 7-Hz-, aber nicht für 15-Hz-Betrieb akzeptabel war. Ein Demonstrationsprojekt im Jahr 2004 hat vor dem PIP-Projekt eine der Stationen auf Solid State Drive umgestellt. Im Rahmen des Projekts wurden 2013 die restlichen Stationen auf Festkörper umgebaut. Ein weiterer wesentlicher Teil des PIP-Projekts ist die Sanierung und der Austausch von 40 Jahre alten Booster-Kavitäten. Viele Kavitäten wurden überholt und für den Betrieb bei 15 Hz getestet. Der Abschluss der Hohlraumsanierung wird im Jahr 2015 erwartet, danach kann die Wiederholrate schrittweise auf den 15-Hz-Betrieb erhöht werden. Ein längerfristiges Upgrade besteht darin, die Booster-Hohlräume durch ein neues Design zu ersetzen. Die Forschung und Entwicklung der neuen Kavitäten ist im Gange, der Ersatz wird 2018 erwartet.

PIP-II
Prototypen von SRF- Kavitäten für den Einsatz im letzten Segment von PIP-II Linac

Zu den Zielen von PIP-II gehört ein Plan zur Lieferung von 1,2 MW Protonenstrahlleistung vom Hauptinjektor zum Deep Underground Neutrino Experiment Target bei 120 GeV und der Leistung nahe 1 MW bei 60 GeV mit der Möglichkeit, die Leistung auf 2 MW zu erweitern in der Zukunft. Der Plan sollte auch die aktuellen 8-GeV-Experimente unterstützen, darunter Mu2e, Muon g-2 und andere Neutrino-Experimente mit kurzer Basislinie. Diese erfordern ein Upgrade auf den Linac, um den Booster mit 800 MeV zu injizieren. Die erste in Betracht gezogene Option bestand darin, einen 400 MeV "Nachbrenner" supraleitenden Linac am Ende des bestehenden 400 MeV hinzuzufügen. Dazu hätte der bestehende Linac 50 Meter (160 ft) nach oben verschoben werden müssen. Bei diesem Ansatz gab es jedoch viele technische Probleme. Stattdessen baut Fermilab einen neuen 800 MeV supraleitenden Linac, der in den Booster-Ring injiziert wird. Der Bau des ersten Gebäudes für den PIP-II-Beschleuniger begann im Jahr 2020. Der neue Linac-Standort wird sich auf einem kleinen Teil von Tevatron in der Nähe des Booster-Rings befinden, um die vorhandene Strom-, Wasser- und kryogene Infrastruktur zu nutzen. Der PIP-II Linac wird über eine Niedrigenergie-Strahltransportleitung (LEBT), einen Hochfrequenz-Quadrupol (RFQ) und eine Mittelenergie-Strahltransportleitung (MEBT) verfügen, die bei Raumtemperatur mit 162,5 MHz und einer Energieerhöhung von 0,03 MeV betrieben werden. Das erste Segment von Linac wird mit 162,5 MHz betrieben und die Energie auf bis zu 11 MeV erhöht. Das zweite Segment von Linac wird mit 325 MHz betrieben und die Energie auf 177 MeV erhöht. Das letzte Segment des Linacs wird mit 650 MHz betrieben und wird eine Endenergie von 800 MeV haben.

Experimente

Die Architektur

Innenraum der Wilson Hall

Der erste Direktor von Fermilab, Robert Wilson, bestand darauf, dass die Ästhetik des Ortes nicht durch eine Ansammlung von Betonblockgebäuden getrübt wird. Der Entwurf des Verwaltungsgebäudes (Wilson Hall) wurde von der St.-Pierre-Kathedrale in Beauvais , Frankreich , inspiriert , wurde jedoch im brutalistischen Stil ausgeführt. Mehrere der Gebäude und Skulpturen innerhalb des Fermilab-Reservats repräsentieren verschiedene mathematische Konstrukte als Teil ihrer Struktur.

Die Archimedische Spirale ist die prägende Form mehrerer Pumpstationen sowie des Gebäudes, in dem das MINOS-Experiment untergebracht ist. Der reflektierende Teich in der Wilson Hall zeigt auch einen 9,8 m hohen hyperbolischen Obelisken, der von Wilson entworfen wurde. Einige der Hochspannungsleitungen , die Strom durch das Gelände des Labors führen, sind nach dem griechischen Buchstaben π gebaut . Man kann auch strukturelle Beispiele der DNA -Doppelhelix-Spirale und eine Anspielung auf die geodätische Kugel finden .

Zu Wilsons Skulpturen auf dem Gelände gehören Tractricious , eine freistehende Anordnung von Stahlrohren in der Nähe des Industriekomplexes, die aus Teilen und Materialien besteht, die aus dem Tevatron-Beschleuniger recycelt wurden, und die aufragende Broken Symmetry , die diejenigen begrüßt, die den Campus über den Eingang Pine Street betreten. Die Krönung des Ramsey Auditoriums ist eine Darstellung des Möbiusstreifens mit einem Durchmesser von mehr als 2,4 m. Über die Zufahrtsstraßen und das Dorf verstreut sind auch eine massive hydraulische Presse und alte magnetische Rückhaltekanäle, alle blau gestrichen.

Aktuelle Entwicklungen

Fermilab hat das CDF- Experiment ( Collider Detector at Fermilab ) demontiert , um den Platz für das IARC (Illinois Accelerator Research Center) zur Verfügung zu stellen. Die Bauarbeiten für LBNF/DUNE und PIP-II haben begonnen, während die Experimente NOνA und Muon g-2 weiterhin Daten sammeln. Das Labor forscht auch in der Quanteninformationswissenschaft, einschließlich der Entwicklung von Teleportationstechnologien für das Quanteninternet und der Erhöhung der Lebensdauer supraleitender Resonatoren für den Einsatz in Quantencomputern.

LBNF/DÜNE

Fermilab wird ab 2016 durch das Deep Underground Neutrino Experiment an der Long Baseline Neutrino Facility weltweit führend in der Neutrinophysik werden . Weitere führende Unternehmen sind das CERN , das mit dem Large Hadron Collider (LHC) in der Beschleunigerphysik führend ist , und Japan, das als Bau- und Leiter des International Linear Collider (ILC) zugelassen wurde. Fermilab wird der Standort der zukünftigen Strahllinie von LBNF sein, und die Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, SD, ist der Standort, der für die Unterbringung des massiven Ferndetektors ausgewählt wurde. Der Begriff "Basislinie" bezieht sich auf den Abstand zwischen der Neutrinoquelle und dem Detektor. Das aktuelle Design des Ferndetektors ist für vier Module von instrumentiertem flüssigem Argon mit einem Bezugsvolumen von jeweils 10 Kilotonnen. Die ersten beiden Module sollen 2024 fertiggestellt sein, der Strahl 2026 einsatzbereit sein. Das letzte Modul soll 2027 in Betrieb gehen. Ein am CERN gebauter großer Prototyp-Detektor nahm von 2018 bis 2020 Daten mit einem Teststrahl auf. Die Ergebnisse zeigen, dass ProtoDUNE mit einer Effizienz von mehr als 99% funktionierte.

Das LBNF/DUNE-Programm in Neutrinophysik plant, grundlegende physikalische Parameter mit hoher Präzision zu messen und die Physik jenseits des Standardmodells zu erforschen . Es wird erwartet, dass die von DUNE durchgeführten Messungen das Verständnis der Physiker über Neutrinos und ihre Rolle im Universum erheblich verbessern und dadurch die Natur von Materie und Antimaterie besser aufklären. Es wird den Neutrinostrahl mit der höchsten Intensität der Welt zu einem nahen Detektor auf dem Fermilab-Standort und dem entfernten Detektor in 800 Meilen (1300 km) Entfernung bei SURF senden.

Myon g−2

Myon g−2 : (ausgesprochen „gee minus two“) ist ein teilchenphysikalisches Experiment, um die Anomalie des magnetischen Moments eines Myons mit einer Genauigkeit von 0,14 ppm zu messen  , was ein empfindlicher Test des Standardmodells sein wird .

Myon g−2 Gebäude (weiß und orange), das den Magneten beherbergt

Fermilab setzt ein am Brookhaven National Laboratory durchgeführtes Experiment zur Messung des anomalen magnetischen Dipolmoments des Myons fort .

Das magnetische Dipolmoment ( g ) eines geladenen Leptons ( Elektron , Myon oder Tau ) beträgt fast 2. Die Differenz zu 2 (dem "anomalen" Teil) hängt vom Lepton ab und kann anhand des Stroms ziemlich genau berechnet werden Standardmodell der Teilchenphysik . Messungen des Elektrons stimmen hervorragend mit dieser Berechnung überein. Das Brookhaven-Experiment führte diese Messung für Myonen durch, eine aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer technisch viel schwierigere Messung, und stellte eine verlockende, aber nicht definitive Abweichung von σ zwischen dem gemessenen und dem berechneten Wert fest.

Das Brookhaven-Experiment endete 2001, aber 10 Jahre später erwarb Fermilab die Ausrüstung und arbeitet an einer genaueren Messung (kleiner  σ ), die entweder die Diskrepanz beseitigt oder sie hoffentlich als experimentell beobachtbares Beispiel für Physik jenseits der Standardmodell .

Transport des 600 Tonnen schweren Magneten nach Fermilab

Im Zentrum des Experiments steht ein supraleitender Magnet mit einem Durchmesser von 50 Fuß und einem außergewöhnlich gleichmäßigen Magnetfeld. Dieser wurde im Sommer 2013 in einem Stück von Brookhaven in Long Island , New York, nach Fermilab transportiert. Der Umzug überquerte in 35 Tagen 3.200 Meilen, meist auf einem Lastkahn die Ostküste hinunter und den Mississippi hinauf .

Der Magnet wurde im September 2015 überholt und eingeschaltet, und es wurde bestätigt, dass er gleich ist 1300  ppm p-p grundlegende Magnetfeldgleichmäßigkeit, die es vor dem Umzug hatte.

Das Projekt arbeitete daran, den Magneten zu shimmen , um die Gleichmäßigkeit des Magnetfelds zu verbessern. Dies war in Brookhaven geschehen, wurde aber durch den Umzug gestört und musste in Fermilab erneut durchgeführt werden.

Im Jahr 2018 begann das Experiment mit der Datenerhebung bei Fermilab. Im Jahr 2021 berichtete das Labor, dass die Ergebnisse einer ersten Studie mit dem Teilchen das Standardmodell mit dem Potenzial zur Entdeckung neuer Kräfte und Teilchen in Frage stellten .

LHC-Physikzentrum (LPC)

Das LHC Physics Center (LPC) am Fermilab ist ein regionales Zentrum der Compact Myon Solenoid Collaboration (das Experiment ist am CERN untergebracht ). Das LPC bietet eine lebendige Gemeinschaft von CMS-Wissenschaftlern aus den USA und spielt eine wichtige Rolle bei der Inbetriebnahme des CMS-Detektors sowie beim Design und der Entwicklung des Detektor-Upgrades.

Partikelentdeckung

Im Sommer 1977 entdeckte ein Team von Physikern unter der Leitung von Leon M. Lederman , das an Experiment 288 in der Protonenzentrumsstrahllinie der Fermilab-fixierten Zielgebiete arbeitete, das Upsilon ( Bottom Quark ).

Die CDF- und D0-Experimente gaben 1995 die Entdeckung des Top-Quarks bekannt .

Die Entdeckung des Tau-Neutrinos wurde im Juli 2000 von der DONUT- Kollaboration bekannt gegeben.

Am 3. September 2008 wurde die Entdeckung eines neuen Teilchens, des unteren Omega-Baryons (
Ω
b
) wurde beim DØ-Experiment von Fermilab angekündigt . Es besteht aus zwei Strange Quarks und einem Bottom Quark . Diese Entdeckung trägt zur Vervollständigung des "Periodensystems der Baryonen" bei und gibt Aufschluss darüber, wie Quarks Materie bilden.

Tierwelt im Fermilab

1967 brachte Wilson fünf amerikanische Bisons , einen Bullen und vier Kühe in die Stätte, und weitere 21 wurden vom Illinois Department of Conservation zur Verfügung gestellt. Einige ängstliche Einheimische glaubten zunächst, dass die Bisons eingeführt wurden, um als Alarm zu dienen, wenn die Strahlung im Labor gefährliche Werte erreichte, aber von Fermilab wurde ihnen versichert, dass diese Behauptung unbegründet war. Heute ist die Herde eine beliebte Attraktion, die viele Besucher anzieht, und das Gelände ist auch ein Zufluchtsort für andere lokale Wildtierpopulationen. Seit 1976 findet jedes Jahr eine Weihnachtsvogelzählung im Labor statt.

In Zusammenarbeit mit dem Forest Preserve District von DuPage County hat Fermilab Schleiereulen in ausgewählten Strukturen auf dem Gelände eingeführt.

In der Populärkultur

Fermilab wird in mehreren Episoden der amerikanischen Fernsehsitcom The Big Bang Theory erwähnt .

Siehe auch

Verweise

Externe Links