Кіріспе

Иллинойс штатындағы жоғары энергиялы бөлшектер физикасы зертханасы, АҚШ-тың Ферми ұлттық үдеткіш зертханасы (Fermilab), Чикаго қаласына жақын, Батавияда орналасқан. Бұл АҚШ Энергетика министрлігінің жоғары энергиялы бөлшектер физикасы саласындағы ұлттық зертханасы. Фермилабтың Негізгі инжекторының шеңбері 3,3 км-ге жетеді, ол зертхананың ең қуатты бөлшектер үдеткіші болып табылады. Негізгі инжекторды қамтамасыз ететін үдеткіш кешені жаңартылуда, ал жаңа PIP II сызықтық үдеткішінің бірінші ғимаратының құрылысы 2020 жылы басталды. 2011 жылға дейін Фермилаб 6,28 км (3,90 миль) шеңберлі Теватрон үдеткішіне орналасқан еді. Теватрон мен Негізгі инжектордың сақина тәрізді туннельдерін әуеден және спутниктен көруге болады. Фермилаб нейтрино физикасының әлемдік орталығы болуға мүдделі. Қазіргі уақытта құрылысы жүріп жатқан миллиардтаған долларлық Жер астындағы нейтрино эксперименті (DUNE) осы жерде орналасқан. Жоба кешігулерге ұшырады және 2022 жылы Science және Scientific American журналдары жобаны "қиын жағдайда" деп сипаттаған мақалалар жариялады. Ағымдағы нейтрино эксперименттері ICARUS (Космикалық және сирек кездесетін жер асты сигналдарын бейнелеу) және NOνA (NuMI Off Axis νe пайда болуы) болып табылады. Аяқталған нейтрино эксперименттері MINOS (Нейтрино осцилляциясын іздеу), MINOS+, MiniBooNE, SciBooNE (SciBar Booster Neutrino эксперименті) және MicroBooNE (Micro Booster Neutrino эксперименті) кіреді. 2007 жылдан бері Фермилабты Чикаго университеті мен Университеттер зерттеулер қауымдастығының (URA) бірлескен кәсіпорны – Fermi Research Alliance (FRA) басқарады. Алайда, 2023 жылы Энергетика департаменті (DOE) FRA-ның жұмысына қатысты алаңдаушылықтарға байланысты жаңа мердігерді іздеу бойынша тендер жариялады. Фермилаб Иллинойс технология және зерттеу дәлізінің құрамына кіреді. Нейтрино бағдарламасынан тыс эксперименттерге SeaQuest және Muon g 2 кіреді. Фермилаб Үлкен адрондық коллайдердегі (LHC) жұмыстарға қатысуын жалғастыруда және Дүниежүзілік LHC есептеу желісіндегі 1-деңгейлі орталық ретінде жұмыс істейді. Фермилаб кванттық ақпарат ғылымын зерттеумен де айналысады. Ол 2019 жылы Фермилаб кванттық институтын құрды және 2020 жылдан бері SQMS (Суперөткіш кванттық материалдар және жүйелер) орталығына да үй иесі болып табылады. 11998 Fermilab астероиді зертхананың құрметіне аталды.

Теватроны

2008 жылы Женева, Швейцария маңындағы Ұлы адрондық коллайдер (LHC) іске қосылғанға дейін Теватрон әлемдегі ең қуатты бөлшектер үдеуіші болып табылды, ол протон мен антипротонды 980 ГэВ энергиясына дейін үдетіп, 1,96 ТэВ-қа дейінгі энергиямен протон-антипротон соқтығысуларын жасады, бұл бір "тераэлектронвольт" энергиясына жеткен алғашқы үдеуіш еді. Айналымы 6 километр болатын ол әлемдегі төртінші ірі бөлшектер үдеуіші еді. Оның ең маңызды жетістіктерінің бірі – 1995 жылы Теватронның CDF және DØ детекторларын пайдаланған зерттеу топтарының тапқан топ кваркі. Ол 2011 жылы тоқтатылды.

Фермилабтың жеделдетуші кешені

2013 жылдан бері Фермилаб үдеткіштерінің тізбегіндегі үдету процесінің бірінші кезеңі (алдын ала үдеткіш инжектор) екі иондық көздерде жүзеге асады, олар сутегі газын иондайды. Газ 1 мм арақашықтықта орналасқан және шыны-керамикалық изоляторлармен бекітілген, спичегінің мөлшеріндегі, сопақ катодты және оны қоршаған анодтан тұратын молибден электродтарымен қапталған ыдысқа жіберіледі. Магнитрон металл бетіне жақын иондар құру үшін плазма жасайды. Иондар көзден 35 кэВ-қа дейін үдетіледі және төмен энергиялы сәуле тасымалы (LEBT) арқылы радиожиілікті төртполюстік құрылғыға (RFQ) сәйкестендіріледі, ол 750 кэВ электростатикалық өріс қолданып, иондарға екінші үдетуді береді. RFQ шығысында сәуле орта энергиялы сәуле тасымалы (MEBT) арқылы сызықтық үдеткіштің (linac) кіреберісіне сәйкестендіріледі. Үдетудің келесі кезеңі – сызықтық бөлшектер үдеткіші (linac). Бұл кезең екі сегменттен тұрады. Бірінші сегментте 201 МГц жиілікте жұмыс істейтін бес дрейфтік түтікше бар. Екінші сегментте 805 МГц жиілікте жұмыс істейтін жеті жақтан жалғастырылған қуыс бар. Linac соңында бөлшектер 400 МэВ-қа дейін, немесе жарық жылдамдығының шамамен 70% -ына дейін үдетіледі. Келесі үдеткішке кірмес бұрын H− иондары көміртек қабығынан өтіп, H+ иондарына (протондарға) айналады. Содан кейін алынған протондар бустерлік сақинаға кіреді, бұл – протондардың сәулесін дөңгелек жолмен иілтетін магниттері бар айналма шеңберлі үдеткіш. Протондар бустерді 33 миллисекундта шамамен 20 000 рет айналып, әр айналымда энергияны арттырады, содан кейін бустерден 8 ГэВ жылдамдықпен шығады. Соңғы үдету төмендегі соңғы суреттегі екі сақинаның кішісінен тұратын Негізгі инжектор [шеңбері] арқылы жүзеге асырылады. 1999 жылы құрылысы аяқталған ол, 120 ГэВ жылдамдыққа дейін үдетілгеннен кейін сәуле желілері бойында орналасқан кез келген экспериментке протондарды бағыттай алатындықтан, Фермилабтың «бөлшектер алмасу орталығына» айналды. 2011 жылға дейін Негізгі инжектор антипротондық сақинаға [шеңбері] және Теватронға одан әрі үдету үшін протондарды жеткізді, бірақ қазір бөлшектер сәуле желісі эксперименттеріне жету алдында соңғы серпіліс береді.

Теватрондан кейінгі тәжірибелік бағдарламаның дамуы

Фермилаб CDF (Fermilab-тағы коллайдер детекторы) экспериментін IARC (Иллинойс жеделдетуші зерттеу орталығы) үшін орын босату мақсатында бұзды. Фермилаб физиктері әлемдік коллайдер бағдарламасында маңызды рөл атқарады. Фермилабтағы LHC физика орталығы (LPC) – Compact Muon Solenoid Collaboration (тәжірибе CERN-де орналасқан) аймақтық орталығы. LPC АҚШ-тан CMS ғалымдарының белсенді қауымдастығын ұсынады және CMS детекторларын іске қосуда, сондай-ақ детекторларды жаңартуды жобалау мен әзірлеуде маңызды рөл атқарады. Фермилаб USCMS-тің үйі, онда АҚШ-тың 50 университетінен зерттеушілер, оның ішінде 715 студент қатысады. Фермилабтағы ең ірі CMS Tier 1 есептеу орталығы жаһандық CMS Tier 1 есептеу сұранымдарының шамамен 40% -ын өңдейді. 2022 жылдың 9 ақпанында Фермилабтың физигі Патрисия Макбрайд CMS ынтымақтастығының өкілі болып сайланды. Осы кезеңде зертхана авангардтық ақпараттық ғылымдар саласында, соның ішінде кванттық интернет үшін кванттық телепортация технологиясын және кванттық компьютерлерде қолдану үшін суперөткізгіш резонаторлардың қызмет ету мерзімін ұзарту бойынша жаңа бағдарлама құрды.

Жабайы табиғат

1967 жылы Уилсон осы жерге бес американдық бизонды – бір бұқа мен төрт сиырды әкелді, ал Иллинойс штатының табиғатты қорғау департаменті тағы 21 бизонды берді. Кейбір қорқынышпен қараған жергілікті тұрғындар зертханадағы радиация қауіпті деңгейге жеткен кезде бизондар ескерту беру үшін әкелінді деп ойлады, бірақ Фермилаб бұл қате екенін мәлімдеді. Бүгінде Фермилабтағы бизон үйірі – көптеген келушілерді қызықтыратын танымал орын, сонымен қатар бұл жер жергілікті жануарлардың да панасы болып табылады. 1976 жылдан бері зертхана аумағында жыл сайын құстардың саны саналып келеді. Дупаж округінің орман қорымен бірлесіп, Фермилаб таңдалған ғимараттарға құсқұйрықтарды қоныстандырды.

Үштік жерде

Жүргізу кезінде бөлшектер сәулелері тритийді – протон мен екі нейтроннан тұратын, 12,3 жылдық жартылай ыдырау периодына ие, әлсіз радиоактивті сутегі изотопын – шығарады. Ол оттегімен қосылып, тритийленген су түзеді. Құрылмайда өлшенген тритий деңгейі федералдық денсаулық сақтау және экологиялық стандарттармен салыстырғанда төмен. Fermilab жер үсті және кәріз сулары арқылы сыртқа шығатын тритийді бақылайды және осы мәселе туралы көбірек білуге ниеттенгендерге арналған пайдалы сұрақ-жауап парағын ұсынады. 2023 жылғы 1 наурызда басқару шартына үміткерлерге арналған ақпараттық жиналыста көрсетілген презентация слайдтарында, тритийдің сыртқа шығу қарқыны талап етілетін нормалардан төмен болғанымен, қалыпты жағдайға "қиындық" тудыратын жеткілікті тритиймен ластану бар екені көрсетілді. Атап айтқанда, Миннесота штатындағы эксперименттерге нейтриноларды жіберетін NuMI сәуле желісінде өндірілген тритий, Fermilab кампусының жабдықтарын салқындату үшін қолданылатын өнеркәсіптік сумен салқындату жүйесіне құйылды. Осының нәтижесінде, зерттеу кешенінің ішінде тритиймен ластану кеңінен тараған деген қорытындыға келді.