Введение
Лаборатория физики высоких энергий в штате Иллинойс, США. Национальная ускорительная лаборатория Ферми (Fermilab), расположенная в Батавии, штат Иллинойс, недалеко от Чикаго, является национальной лабораторией Министерства энергетики США, специализирующейся на физике высоких энергий. Главный инжектор Fermilab, окружностью 3,3 км, является самым мощным ускорителем частиц в лаборатории. Ускорительный комплекс, питающий Главный инжектор, находится в стадии модернизации, а строительство первого здания для нового линейного ускорителя PIP II началось в 2020 году. До 2011 года Fermilab был домом для ускорителя Tevatron с окружностью 6,28 км (3,90 мили). Кольцеобразные туннели Теватрона и Главного инжектора видны с воздуха и со спутника. Fermilab стремится стать мировым центром в области физики нейтрино. Здесь реализуется многомиллиардный проект Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), находящийся в стадии строительства. Проект столкнулся с задержками, и в 2022 году журналы Science и Scientific American опубликовали статьи, описывающие проект как "имеющий проблемы". Текущие эксперименты с нейтрино включают ICARUS (Imaging Cosmic and Rare Underground Signals) и NOνA (NuMI Off Axis νe Appearance). Завершенные эксперименты с нейтрино включают MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), MINOS+, MiniBooNE и SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) и MicroBooNE (Micro Booster Neutrino Experiment). С 2007 года Fermilab управляется Fermi Research Alliance (FRA), совместным предприятием Чикагского университета и Universities Research Association (URA); однако в 2023 году Министерство энергетики (DOE) объявило тендер на нового подрядчика в связи с опасениями по поводу эффективности работы FRA. Fermilab является частью Иллинойского технологического и исследовательского коридора. Эксперименты, проводимые на территории лаборатории вне программы изучения нейтрино, включают эксперимент с фиксированной мишенью SeaQuest и Muon g 2. Fermilab продолжает участвовать в работе на Большом адронном коллайдере (LHC), являясь площадкой первого уровня во Всемирной вычислительной сети LHC. Fermilab также проводит исследования в области квантовой информатики и основал Квантовый институт Фермилаб в 2019 году. С 2020 года здесь также располагается Центр SQMS (Superconducting Quantum Materials and Systems). Астероид 11998 Fermilab назван в честь лаборатории.
Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), located in Batavia, Illinois, near Chicago, is a United States Department of Energy national laboratory specializing in high energy particle physics. Fermilab's Main Injector, two miles (3.3 km) in circumference, is the laboratory's most powerful particle accelerator. The accelerator complex that feeds the Main Injector is under upgrade, and construction of the first building for the new PIP II linear accelerator began in 2020. Until 2011, Fermilab was the home of the 6.28 km (3.90 mi) circumference Tevatron accelerator. The ring shaped tunnels of the Tevatron and the Main Injector are visible from the air and by satellite. Fermilab aims to become a world center in neutrino physics. It is the host of the multi billion dollar Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) now under construction. The project has suffered delays and, in 2022, the journals Science and Scientific American each published articles describing the project as "troubled". Ongoing neutrino experiments are ICARUS (Imaging Cosmic and Rare Underground Signals) and NOνA (NuMI Off Axis νe Appearance). Completed neutrino experiments include MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search), MINOS+, MiniBooNE and SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) and MicroBooNE (Micro Booster Neutrino Experiment). Since 2007, Fermilab has been operated by the Fermi Research Alliance (FRA), a joint venture of the University of Chicago, and the Universities Research Association (URA); although in 2023, the Department of Energy (DOE) opened bidding for a new contractor due to concerns about the FRA performance. Fermilab is a part of the Illinois Technology and Research Corridor. On site experiments outside of the neutrino program include the SeaQuest fixed target experiment and Muon g 2. Fermilab continues to participate in the work at the Large Hadron Collider (LHC); it serves as a Tier 1 site in the Worldwide LHC Computing Grid. Fermilab also pursues research in quantum information science. It founded the Fermilab Quantum Institute in 2019. Since 2020, it also is home to the SQMS (Superconducting Quantum Materials and Systems) Center. Asteroid 11998 Fermilab is named in honor of the laboratory.
Теватрон
До запуска Большого адронного коллайдера (LHC) в 2008 году недалеко от Женевы, Швейцария, Теватрон был самым мощным ускорителем частиц в мире, разгоняя протоны и антипротоны до энергий 980 ГэВ и вызывая протон-антипротонные столкновения с энергиями до 1,96 ТэВ, став первым ускорителем, достигшим энергии в один "тераэлектронвольт". Его длина составляла 3,9 мили (6 км), что делало его четвертым по величине в мире по окружности ускорителем частиц. Одним из важнейших достижений Теватрона стало открытие верхнего кварка в 1995 году, о котором объявили исследовательские группы, использовавшие детекторы CDF и DØ. Он был остановлен в 2011 году.
Комплекс ускорителей Фермилаб
С 2013 года первый этап процесса ускорения (предускоритель-инжектор) в цепочке ускорителей Fermilab происходит в двух источниках ионов, которые ионизируют водородный газ. Газ подается в емкость, футерованную молибденовыми электродами, каждый из которых представляет собой катод овальной формы размером со спичечный коробок и окружающий его анод, разделенные на 1 мм и удерживаемые на месте стеклокерамическими изоляторами. Магнетрон генерирует плазму для формирования ионов вблизи металлической поверхности. Ионы ускоряются источником до 35 кэВ и согласовываются с помощью системы транспортировки пучка низкой энергии (LEBT) с радиочастотным квадруполем (RFQ), который создает электростатическое поле 750 кВ, обеспечивая ионам второе ускорение. На выходе из RFQ пучок согласовывается с помощью системы транспортировки пучка средней энергии (MEBT) и направляется во вход линейного ускорителя (Linac). Следующий этап ускорения – линейный ускоритель частиц (ЛИНАК). Этот этап состоит из двух сегментов. Первый сегмент содержит пять резонаторов с дрейфовыми трубками, работающих на частоте 201 МГц. Второй сегмент имеет семь боково связанных резонаторов, работающих на частоте 805 МГц. В конце ЛИНАКа частицы ускоряются до 400 МэВ, что составляет около 70% скорости света. Непосредственно перед входом в следующий ускоритель ионы H− проходят через углеродную фольгу, превращаясь в ионы H+ (протоны). Полученные протоны затем поступают в бустерное кольцо – круговой ускоритель окружности, магниты которого отклоняют пучки протонов по круговой траектории. Протоны совершают около 20 000 оборотов вокруг бустера за 33 миллисекунды, набирая энергию с каждым оборотом, пока не покинут бустер, разогнавшись до 8 ГэВ. Окончательное ускорение осуществляется с помощью Главного инжектора [окружность], который является меньшим из двух колец на последнем изображении (на переднем плане). Завершенный в 1999 году, он стал для Fermilab своего рода "распределительным узлом частиц", поскольку может направлять протоны на любой из экспериментов, расположенных вдоль линий пучка, после ускорения их до 120 ГэВ. До 2011 года Главный инжектор обеспечивал протонами антипротонное кольцо [окружность] и Теватрон для дальнейшего ускорения, но теперь обеспечивает последний импульс перед тем, как частицы достигнут экспериментов на линии пучка.
Эволюция экспериментальной программы после Теватрона
Fermilab демонтировал эксперимент CDF (Детектор коллайдера в Fermilab), чтобы освободить пространство для IARC (Иллинойсский исследовательский центр ускорителей). Физики из Фермилаба продолжают играть ключевую роль в мировой коллайдерной программе. Физический центр LHC (LPC) при Фермилабе является региональным центром коллаборации Compact Muon Solenoid (эксперимент расположен в CERN). LPC предоставляет активное сообщество ученых CMS из США и играет важную роль в вводе в эксплуатацию детектора CMS, а также в проектировании и модернизации детектора. Фермилаб является базовой лабораторией для USCMS, в которую входят исследователи из 50 университетов США, включая 715 студентов. Фермилаб размещает крупнейший вычислительный центр CMS Tier 1, обрабатывающий около 40% глобальных запросов на вычисления Tier 1 для CMS. 9 февраля 2022 года Патрисия Макбрайд (физик) из Фермилаба была избрана координатором коллаборации CMS. В этот период времени лаборатория также запустила новую программу исследований в передовых информационных науках, включая разработку технологии квантовой телепортации для квантового интернета и увеличение времени жизни сверхпроводящих резонаторов для использования в квантовых компьютерах.
Дикая природа
В 1967 году Уилсон привез на территорию пять американских бизонов – одного быка и четыре коровы, а еще 21 бизон предоставил Департамент охраны природы штата Иллинойс. Некоторые обеспокоенные местные жители поначалу полагали, что бизонов завезли для того, чтобы они служили системой оповещения в случае достижения опасного уровня радиации в лаборатории, но Фермилаб заверил их, что это не соответствует действительности. Сегодня стадо бизонов в Фермилабе – популярная достопримечательность, привлекающая множество посетителей, а территория также является убежищем для других популяций местной дикой природы. С 1976 года в лаборатории ежегодно проводится орнитологический учет рождественских птиц. Работая совместно с Лесным округом Дюпейдж, Фермилаб заселил сипух в специально выбранные строения на территории.
Тритий на месте
Во время работы ускорителей пучки частиц производят тритий – изотоп водорода, состоящий из протона и двух нейтронов, слабо радиоактивный с периодом полураспада 12,3 года. Он может соединяться с кислородом, образуя тритированную воду. Уровни трития, измеренные на территории лаборатории, не превышают установленные федеральные нормы в области здравоохранения и охраны окружающей среды. Fermilab контролирует содержание трития в поверхностных и канализационных стоках, а также предоставляет информационный бюллетень с ответами на часто задаваемые вопросы для желающих узнать больше. На информационном собрании для потенциальных претендентов на контракт по управлению, состоявшемся 1 марта 2023 года, в презентационных материалах было указано, что, несмотря на то, что скорость выноса трития с территории находится в пределах допустимых норм, на территории лаборатории обнаружено достаточное загрязнение тритием, представляющее собой "сложную задачу". В частности, тритий, образующийся в линии NuMI, которая направляет нейтрино в эксперименты в Миннесоте, закачивается в систему промышленного водяного охлаждения, используемую для оборудования по всему кампусу Fermilab. В результате сделан вывод, что в настоящее время "загрязнение тритием распространено по всему исследовательскому комплексу".