Кіріспе

Ньюпорт Ньюс, Вирджиния, АҚШ-тағы бөлшектер үдеуіш зертханасы Томас Джефферсон ұлттық үдеуіш қондырғысы (TJNAF), көбінесе Джефферсон зертханасы немесе JLab деп аталады, АҚШ Энергетика министрлігінің Ньюпорт Ньюс, Вирджинияда орналасқан ұлттық зертханасы болып табылады. 2006 жылдың 1 маусымынан бастап оны Оңтүстік-Шығыс университеттері ғылыми-зерттеу қауымдастығы және PAE қолданбалы технологиялар құрған жауапкершілігі шектеулі серіктестік – Джефферсон Science Associates, LLC басқарады. 2021 жылдан бастап Джефферсон ғылым қауымдастығы Оңтүстік-Шығыс университеттері ғылыми-зерттеу қауымдастығының толық иелігіндегі еншілес ұйымға айналды. 1996 жылға дейін TJNAF үздіксіз электрондық сәулелендіргіш үдеуіш қондырғысы (CEBAF) деп аталды; көбінесе бұл атау әлі күнге дейін негізгі үдеуіш үшін қолданылады. 1984 жылы құрылған Джефферсон зертханасында 750-ден астам адам жұмыс істейді, ал әлемнің түкпір-түкпірінен келген 2000-нан астам ғалым осы қондырғыны пайдаланып зерттеу жұмыстарын жүргізіп келеді.

Тарих

Бұл нысан 1984 жылы Оңтүстік-Шығыс университеттерінің ғылыми-зерттеу қауымдастығы (Southeastern Universities Research Association) тарапынан үздіксіз электрондық сәулелендіргіш (CEBAF) ретінде құрылды (Энергетика министрлігінің алғашқы қаржыландыруымен); 1996 жылы атауы Томас Джефферсон ұлттық үдеткіш орталығына өзгертілді. Құрылысқа қажетті толық қаржы 1986 жылы АҚШ Конгресінен бекітілді және 1987 жылдың 13 ақпанында CEBAF үдеткішінің, яғни негізгі компонентінің құрылысы басталды. Алғашқы сәуле 1994 жылдың 1 шілдесінде тәжірибелік аймаққа жіберілді. Сәуленің 4 ГэВ-қа дейін жобаланған энергияға жетуі 1995 жылы орын алды. Зертхананың ресми ашылуы 1996 жылдың 24 мамырында болды (осы шарада атауы да өзгертілді). 1998 жылдың 19 маусымында жобаланған энергиядағы барлық үш бастапқы тәжірибелік аймақ толыққанды іске қосылды. 2000 жылдың 6 тамызында CEBAF 6 ГэВ "күшейтілген жобаланған энергиясына" жетті. 2001 жылы 12 ГэВ электрондық сәуле энергиясын жаңарту және төртінші тәжірибелік залды салу жоспарланды. Жоспарлар 2000-ші жылдардағы Энергетика министрлігінің (DOE) бірнеше маңызды шешім кезеңдерінен өтті, 2008 жылы Энергетика министрлігінің соңғы мақұлдауымен және 2009 жылы 12 ГэВ жаңарту құрылысы басталды. 2012 жылдың 18 мамырында бастапқы 6 ГэВ CEBAF үдеткіші 12 ГэВ жаңартуы үшін үдеткіш компоненттерін алмастыру мақсатында тоқтатылды. Бастапқы CEBAF үдеткішімен 178 тәжірибе жүргізілді. Үдеткіштен басқа, зертханада еркін электронды лазер (FEL) құралы орналасқан және осы күнге дейін қолданылуда. FEL құрылысы 1996 жылдың 11 маусымында басталды. 1998 жылдың 17 маусымында алғашқы сәуле шығарылды. Осы уақыттан бері FEL бірнеше рет жаңартылып, қуаты мен мүмкіндіктері едәуір артты. Джефферсон зертханасы Ок-Ридждегі Спалляциялық нейтрондық көзінің (SNS) құрылысына және оны жаңартуға, сондай-ақ Брукхейвен ұлттық зертханасындағы Электрондық иондық коллайдерді салуға қатысты. Джефферсон Энергетика министрлігінің (DOE) үдеткіштері үшін суперөткізгіш үдеткіштер мен гелийлік салқындату жүйелерін жасайды.

Жеделдетуші

Зертхананың негізгі ғылыми-зерттеу құрылғысы – CEBAF үдеткіші, ол поляризацияланған электрон көзі мен инжектордан және ұзындығы 1400 м (7/8 миль) болатын, екі доғалық бөлімдермен біріктірілген суперөткізгіш RF сызықтық үдеткіштерден тұрады. Электрондық сәуле ең көп бес айналым жасағанда, оның энергиясы 6 ГэВ-қа дейін жетеді (алғашқы CEBAF машинасы 1995 жылы 4 ГэВ жобалық энергияда жұмыс істеді, кейін 2000 жылы 6 ГэВ «жақсартылған жобалық энергияға» жетті; содан бері құрылғы 12 ГэВ энергиясына дейін жаңартылды). Бұл CERN немесе Fermilab сияқты орталықтардағы классикалық сақина тәрізді үдеткіштермен салыстырғанда, жарыс жолына ұқсас көрінеді. CEBAF – Стэнфордтағы SLAC-қа ұқсас, бірақ қалыпты ұзындығының оннан бір бөлігіне дейін жиырылған сызықтық үдеткіш. CEBAF құрылымы сақина тәрізді үдеткіштерге тән импульстік сәуле емес, үздіксіз электрондық сәуле тудыруға мүмкіндік береді. (Сәулелік құрылым бар, бірақ импульстар әлдеқайда қысқа және жиірек келеді.) Электрондық сәуле үш мүмкін нысанаға бағытталады (төменде қараңыз). Джефферсон зертханасының ерекшеліктерінің бірі – электрондық сәуленің үздіксіздігі, оның импульсы 1 пикосекундтан кем. Тағы бір ерекшелік – Джефферсон зертханасының суперөткізгіш радиожиіліктік (SRF) технологиясын қолдануы. Ол сұйық гелийді ниобийді шамамен 4 К-қа (-452,5 °F) дейін салқындату үшін пайдаланады, бұл электрлік кедергіні жояды және электрондарға энергияны ең тиімді жеткізуге мүмкіндік береді. Осы мақсатқа жету үшін Джефферсон зертханасында әлемдегі ең ірі сұйық гелий тоңазытқышы орналасқан, және бұл SRF технологиясының ірі масштабтағы алғашқы іске асырылған жобаларының бірі болды. Үдеткіш жер бетінен 8 метр тереңдікте, шамамен 25 фут тереңдікте салынған, ал үдеткіш туннельдерінің қабырғалары 2 фут қалыңдықта. Сәуле А, В, С және Д залдары деп аталатын төрт эксперименттік залда аяқталады. Әр зал электрондық сәуле немесе нақты фотондар мен тұрақты нысана арасындағы соқтығысулардың нәтижелерін тіркеуге арналған арнайы спектрометрлермен жабдықталған. Бұл физиктерге атом ядросының құрылымын, әсіресе ядроның құрамындағы протондар мен нейтрондардың кварктарының өзара әрекеттесуін зерттеуге мүмкіндік береді. Үдеткіштің әр айналымында сәуле екі LINAC үдеткішінен де өтеді, бірақ линактердің соңындағы жартылай дөңгелек доғаларда орналасқан әртүрлі иілу магниттері арқылы өтеді. Электрондар сызықтық үдеткіштерден ең көп бес рет өтеді. Нысанадағы ядроға сәуледен электрон соққанда, «өзара әрекеттесу» немесе «оқиға» пайда болады, бұл бөлшектерді залға шашыратады. Әр зал оқиғадан пайда болған бөлшектердің физикалық қасиеттерін тіркеуге арналған бөлшектерді анықтағыштарымен жабдықталған. Анықтағыштар электр импульстарын шығарады, олар аналог-цифрлық түрлендіргіштер (ADC), уақыт-цифрлық түрлендіргіштер (TDC) және импульс санағыштары (скалерлер) арқылы цифрлық мәндерге айналдырылады. Бұл цифрлық деректер жинақталып, сақталады, содан кейін физиктер деректерді талдап, оқиғаның физикасын қайта жасай алады. Бұл міндетті орындайтын электроника және компьютерлер жүйесі деректерді алу жүйесі деп аталады.

12 ГеВ-қа жаңарту

2010 жылы акселератордың қалған үш залынан қарама-қарсы жағындағы D залын қосу және сәуле энергиясын 12 ГэВ-қа дейін екі есеге арттыру мақсатында 338 миллион долларлық жаңарту жұмыстары басталды. Сонымен қатар, CEBAF және әлемдік жеделдеткіштерде қолданылатын SRF қуыстарын өндіретін Сынақ зертханасына қосымша құрылыс салынды. 2014 жылы жаңарту 10,5 ГэВ сәуле энергиясы бойынша жаңа рекордты көрсетті және D залына сәуле жеткізді. CEBAF жеделдеткіші ағымдағы 12 ГэВ жаңарту жобасының іске қосылу шаралары аясында толық энергиялы электрондарды жеткізді. Ұдайы электронды сәуле жеделдеткішінің операторлары 12 ГэВ электрондарының (12,065 Гигаэлектрон вольт) алғашқы партиясын жаңа тәжірибелік зал кешені – D залына жеткізді. 2017 жылдың қыркүйегінде АҚШ Энергетика департаментінен (DOE) 12 ГэВ жаңарту жобасының аяқталғаны және жұмысты бастауға ресми рұқсат берілгені туралы хабарлама келіп түсті. 2018 жылдың көктеміне қарай барлық төрт зерттеу аймағы сәулелерді сәтті қабылдап, тәжірибелер жүргізе бастады. 2018 жылдың 2 мамырында CEBAF 12 ГэВ жаңартуының салтанатты ашылуы өтті. Содан кейін CEBAF акселераторы физикалық сапалы өндіріс үшін барлық төрт тәжірибе залына бір мезгілде электронды сәулелерді жеткізді.

Физика бағдарламасы

Джефферсон зертханасы нуклонның (протон және нейтрон) құрылымын, жеңіл мезондардың пайда болуын және ыдырауын, сондай-ақ атом ядросындағы нуклеондардың өзара әрекеттесуінің ерекшеліктерін зерттеу үшін электромагниттік өзара әрекеттесуді қолдана отырып, кең ауқымды зерттеу бағдарламасын жүргізеді. Негізгі құралдары – электрондарды шашырату және жоғары энергиялы нақты фотондарды жасау мен пайдалану. Бұған қоса, электрондық және фотондық сәулелерді жоғары поляризациялауға болады, бұл зерттеулерде спиндік еркіндік дәрежелерін зерттеуге мүмкіндік береді. Төрт тәжірибе залының әрқайсысының зерттеу мақсаттары ерекше, бірақ бір-бірімен байланысты, сонымен қатар әрқайсысы өзіне тән құралдармен жабдықталған.

А-қақпақ

Жоғары ажыратымды спектрометрлер (ЖАС) электронның терең икемді емес шашырауын зерттеу үшін қолданылды. Өте жақсы бақыланатын поляризацияланған электрондық сәулелерді пайдалану арқылы электрондардың шашырауындағы паритет бұзылуы зерттелді.

Б залы

CLAS детекторы 1998-2012 жылдар аралығында B залының эксперименттік бағдарламасының негізгі құралы болды. Терең инеластикалық өзара әрекеттесулер, адрондық спектроскопия және ядролық өзара әрекеттесулер салаларында физика жұмыс топтары жұмыс істейді. Спектрометрдің өзі және физика бағдарламасы туралы мақаланы CLAS сілтемесі бойынша қараңыз. Поляризацияланған нақты фотондар мен электрондық сәулелер пайдаланылды. Физикалық нысаналарға сұйық сутегі мен дейтерий, сондай-ақ ауыр ядролық материалдар кірді. Джефферсон зертханасында 12 ГэВ сәулелер дәуірінде B залының бағдарламасы CLAS12 деп аталатын жаңа детекторды және арнайы жабдықтарды қолданатын бірнеше басқа эксперименттерді қосу үшін қайта құрылды.

C залы

Көптеген спектрометрлер мен арнайы жабдықтар қолданылды, мысалы, протонның әлсіз зарядын өлшеу үшін электрон шашырауындағы паритет бұзу және электромагниттік өзара әрекеттесу арқылы гиперядролардың пайда болуы зерттелді.

D залы

Бұл эксперименттік зал 2014 жылы басталатын 12 ГэВ сәулелік энергия бағдарламасы үшін салынған. Бұл залда GlueX эксперименті орналасқан, ол мезондардағы нақты глюондық қоздыруларды іздеу мақсатында, жеңіл, дәмсіз мезон спектрін толыққанды зерттеуге арналған.

Еркін электронды лазер

JLab әлемдегі ең қуатты, реттелетін еркін электронды лазерге ие, оның қуаты 14 киловаттан асады.

CODA

CEBAF-та үш эксперимент бір уақытта жүргізіліп жатқандықтан, үш деректерді жинау жүйесінің мүмкіндігінше ұқсас болуы қажет деп шешілді, соның салдарынан бір эксперименттен екіншісіне көшетін физиктер таныс орта табады. Осы мақсатта, үш зал үшін ортақ жүйе әзірлеу үшін деректерді жинауды дамыту тобы құруға арналған физика мамандары шақырылды. CODA – CEBAF онлайн деректерді жинау жүйесі. CODA – ядролық физика эксперименттері үшін деректерді жинау жүйесін жеңілдететін бағдарламалық құралдар және ұсынылатын аппараттық құралдар жиынтығы. Ядролық және бөлшек физика эксперименттерінде бөлшектердің траекториялары деректерді жинау жүйесімен цифрлық форматқа келтіріледі, бірақ детекторлар көптеген мүмкін өлшемдерді немесе «деректер арналарын» жасауға қабілетті. Әдетте, ADC, TDC және басқа да цифрлық электроника – алдыңғы жиегіндегі коннекторлары бар үлкен схемалық тақталар, олар цифрлық сигналдарды енгізу және шығару үшін қолданылады, ал артқы жағындағы коннектор артқы панельге қосылады. Тақталар тобы шассиге немесе «құтыға» орнатылады, ол тақталар мен артқы панельге физикалық қолдау, қуат және салқындату қамтамасыз етеді. Бұл құрылым жүздеген арналарды цифрлық форматқа келтіре алатын электрониканы бір шассиге сығымдауға мүмкіндік береді. CODA жүйесінде әрбір шассиде қалған шассидің интеллектуалды басқарушысы болып табылатын тақта орналасқан. ReadOut Controller (ROC) деп аталатын бұл тақта алғашқы деректерді алғаннан кейін әр цифрлық тақтаны конфигурациялайды, цифрлаушылардан деректерді оқиды және кейінірек талдау үшін деректерді форматтайды.