Введение

Исследовательский центр при Стэнфордском университете.

Национальная ускорительная лаборатория SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory), первоначально названная Стэнфордским линейным ускорителем, является федеральным научно-исследовательским и опытно-конструкторским центром, расположенным в Менло-Парке, штат Калифорния, США. Основанная в 1962 году, лаборатория в настоящее время финансируется Министерством энергетики США и управляется Стэнфордским университетом. На её территории находится Стэнфордский линейный ускоритель – линейный ускоритель длиной 3,2 километра (2 мили), построенный в 1966 году, способный разгонять электроны до энергий 50 ГэВ. В настоящее время исследования в SLAC сосредоточены на широкой программе в области атомной и физики твердого тела, химии, биологии и медицины с использованием рентгеновского излучения, получаемого от синхротронного излучения и лазера на свободных электронах, а также экспериментальных и теоретических исследований в области физики элементарных частиц, астрочастичной физики и космологии. Лаборатория находится под программным руководством Управления науки Министерства энергетики США.

Ускоритель

Основным ускорителем был радиочастотный линейный ускоритель, который разгонял электроны и позитроны до 50 ГэВ. Долгое время этот ускоритель был самым длинным линейным ускорителем в мире, и его называли «самым прямым объектом в мире». Это продолжалось до 2017 года, когда открылся Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах. Основной ускоритель расположен на глубине 9,14 м под землей и проходит под трассой шоссе 280. Надземная галерея клистронов, расположенная над линией пучка, была самым длинным зданием в Соединенных Штатах до завершения строительства двух интерферометров проекта LIGO в 1999 году. Её легко заметить с воздуха, и она обозначена на аэронавигационных картах как визуальный ориентир. Часть исходного линейного ускорителя теперь является частью Когерентного источника света Линака.

Стенфордский линейный коллайдер

Стенфордский линейный коллайдер был линейным ускорителем, сталкивавшим электроны и позитроны в SLAC. Энергия в центре масс составляла около 90 ГэВ, что равно массе Z-бозона, для изучения которого ускоритель и был разработан. Аспирант Барретт Д. Милликен обнаружил первое Z-событие 12 апреля 1989 года, просматривая компьютерные данные за предыдущий день, полученные с детектора Mark II. Большая часть данных была собрана большим детектором SLAC, который начал функционировать в 1991 году. Хотя и в значительной степени уступавший по значимости Большому электронно-позитронному коллайдеру в ЦЕРНе, который начал работу в 1989 году, высокополяризованный электронный пучок на SLC (близкий к 80%) позволял проводить уникальные измерения, такие как нарушение чётности в связи Z-бозона с b-кварком. В настоящее время пучки не поступают в южную и северную дуги ускорителя, ведущие к Финальному Фокусу, поэтому этот участок законсервирован для направления пучка в секцию PEP2 от лучевого коммутатора.

Большой детектор SLAC

Большой детектор SLAC (SLD) был основным детектором линейного коллайдера Стэнфорда. Он был разработан главным образом для регистрации Z-бозонов, рожденных в результате электрон-позитронных столкновений на ускорителе. Построенный в 1991 году, SLD функционировал с 1992 по 1998 год.

ПЭП

PEP (Positron Electron Project) начал работу в 1980 году, достигая энергий центра масс до 29 ГэВ. В период расцвета на PEP работало пять крупных детекторов частиц и один дополнительный, меньший по размеру. Около 300 исследователей использовали возможности PEP. PEP был остановлен в 1990 году, а строительство PEP II началось в 1994 году.

ПЭП-II

С 1999 по 2008 год основной целью линейного ускорителя было введение электронов и позитронов в ускоритель PEP II – электрон-позитронный коллайдер с двумя кольцами хранения. PEP II являлся базой для эксперимента BaBar, одного из так называемых B-фабрик, изучавших симметрию зарядового паритета.

Стэнфордский синхротронный источник излучения

Стэнфордский источник синхротронного излучения (SSRL) — это пользовательский комплекс синхротронного света, расположенный на территории SLAC. Изначально построенный для физики частиц, он использовался в экспериментах, в ходе которых было открыто J/ψ-мезон. В настоящее время он используется исключительно для экспериментов в области материаловедения и биологии, использующих высокоинтенсивное синхротронное излучение, испускаемое удерживаемым электронным пучком, для изучения структуры молекул. В начале 1990-х годов для этого накопительного кольца был построен независимый инжектор электронов, что позволило ему работать независимо от основного линейного ускорителя.

Космический телескоп Ферми

SLAC играет ключевую роль в миссии и эксплуатации космического телескопа гамма-лучей Ферми, запущенного в августе 2008 года. Основные научные цели этой миссии:
Изучение механизмов ускорения частиц в активных галактических ядрах (AGN), пульсарах и остатках сверхновых (SNR). Разрешение гамма-лучевого неба: идентификация неизвестных источников и исследование диффузного излучения. Определение высокоэнергетических характеристик гамма-всплесков и быстропеременных объектов. Исследование темной материи и фундаментальной физики.

КИПАК

Институт астрофизики и космологии частиц Кавли (KIPAC) частично расположен на территории SLAC, помимо его расположения в главном кампусе Стэнфорда.

ПУЛС

Стэнфордский институт ПУЛСЕ (англ. Stanford PULSE Institute, PULSE) — независимая лаборатория Стэнфордского университета, расположенная в Центральной лаборатории SLAC. Институт ПУЛСЕ был создан Стэнфордом в 2005 году для поддержки преподавателей Стэнфорда и ученых SLAC в разработке ультрабыстрых исследований на рентгеновских лучах в LCLS. Опубликованные исследования института ПУЛСЕ можно посмотреть здесь.

ЛКЛС

Когерентный источник света Linac (LCLS) – это лазер на свободных электронах, расположенный в SLAC. LCLS является частичной реконструкцией последней трети оригинального линейного ускорителя в SLAC и способен генерировать чрезвычайно интенсивное рентгеновское излучение для исследований в различных областях. Первый лазерный импульс был получен в апреле 2009 года. Лазер производит жесткое рентгеновское излучение, яркость которого в 10⁹ раз превышает яркость традиционных синхротронных источников, и является самым мощным рентгеновским источником в мире. LCLS открывает возможности для проведения разнообразных новых экспериментов и совершенствует существующие экспериментальные методы. Рентгеновское излучение часто используется для получения "снимков" объектов на атомном уровне непосредственно перед их разрушением. Длина волны лазера, варьирующаяся от 6,2 до 0,13 нм (200 до 9500 электронвольт (эВ)), сопоставима с размером атома, что позволяет получать чрезвычайно детальную информацию, недоступную ранее. Кроме того, лазер способен фиксировать изображения с "выдержкой", измеряемой в фемтосекундах, или миллионных долях миллиардной доли секунды, что необходимо, поскольку интенсивность пучка часто настолько велика, что образец разрушается за фемтосекунду.

СЛЕД

В 2012 году первые две трети (~2 км) оригинального SLAC LINAC были вновь введены в эксплуатацию для нового пользовательского комплекса, Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests (FACET). Этот комплекс позволял получать пучки электронов (и позитронов) энергией 20 ГэВ и зарядом 3 нКл с короткой длиной пучка и малым размером пятна, что идеально подходило для исследований ускорения плазмы, управляемого пучком. В 2016 году комплекс был закрыт для строительства LCLS II, который займет первую треть SLAC LINAC. Проект FACET II возобновит создание электронных и позитронных пучков в средней трети LINAC для продолжения исследований ускорения плазмы, управляемого пучком, в 2019 году.

НЛКТА

Next Linear Collider Test Accelerator (NLCTA) — это линейный ускоритель электронов с высокой яркостью, работающий на энергии 60–120 МэВ и предназначенный для экспериментов по передовым методам управления и ускорения пучка. Он расположен в концевой станции B в SLAC. Список соответствующих научных публикаций можно посмотреть здесь.

Теоретическая физика

SLAC также проводит теоретические исследования в области физики элементарных частиц, включая квантовую теорию поля, физику коллайдеров, астрочастичную физику и физику частиц.

Другие открытия

SLAC также сыграл важную роль в разработке клистрона – высокомощной микроволновой лампы-усилителя. Ведутся активные исследования в области плазменного ускорения, с недавними успехами, такими как удвоение энергии 42-гигаэлектронвольт электронов в ускорителе длиной в метр. На территории SLAC была обнаружена палеопарадокса, и её скелет можно увидеть в небольшом музее в Бризвее. Установка SSRL использовалась для выявления скрытого текста в палимпсесте Архимеда. Рентгеновское излучение синхротрона заставляло железо в оригинальных чернилах светиться, что позволило исследователям сфотографировать первоначальный документ, который христианский монах соскреб.