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Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi
Fermilab logo.svg
Fermilab satellite.gif
Una vista de satélite del Fermilab. Las dos estructuras circulares son el anillo inyector principal (más pequeño) y Tevatron (más grande).
Establecido21 de noviembre de 1967 (como Laboratorio Nacional Acelerador)
Tipo de investigaciónFísica del acelerador
Presupuesto$ 546 millones (2019) [1]
Campo de investigaciónFísica del acelerador
DirectorNigel S. Lockyer
Habla aApartado de correos 500
LocalizaciónMunicipio de Winfield, condado de DuPage , Illinois , Estados Unidos
41 ° 49′55 ″ N 88 ° 15′26 ″ W / 41.83194 ° N 88.25722 ° W / 41.83194; -88.25722 Coordenadas : 41 ° 49′55 ″ N 88 ° 15′26 ″ W  / 41.83194 ° N 88.25722 ° W / 41.83194; -88.25722
ApodoFermilab
AfiliacionesAsociación de Investigación
de Universidades del Departamento de Energía de EE. UU. Universidad de Chicago
premios NobelLeon Max Lederman
Sitio webwww .fnal .gov
Mapa
Fermilab se encuentra en Illinois
Fermilab
Ubicación en Illinois

Fermi National Accelerator Laboratory ( Fermilab ), ubicado en las afueras de Batavia, Illinois , cerca de Chicago , es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos que se especializa en física de partículas de alta energía . Desde 2007, Fermilab ha sido operado por Fermi Research Alliance, una empresa conjunta de la Universidad de Chicago y la Universities Research Association (URA). Fermilab es parte del corredor de investigación y tecnología de Illinois .

Tevatron de Fermilab fue un acelerador de partículas de referencia ; Hasta la puesta en marcha en 2008 del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cerca de Ginebra, Suiza, era el acelerador de partículas más poderoso del mundo, acelerando protones y antiprotones a energías de 980  GeV y produciendo colisiones protón-protón con energías de hasta 1,96  TeV , el primer acelerador en alcanzar una energía de "tera-electrón-voltio". [2] Con 3,9 millas (6,3 km), era el cuarto acelerador de partículas más grande del mundo en circunferencia. Uno de sus logros más importantes fue el descubrimiento en 1995 del quark top , anunciado por equipos de investigación que utilizan el CDF de Tevatron yDetectores DØ . [3] Se cerró en 2011. Desde entonces, el inyector principal de Fermilab, de dos millas (3,3 km) de circunferencia, ha sido el acelerador de partículas más potente del laboratorio. [4] La construcción del primer edificio para el nuevo acelerador lineal PIP-II comenzó en 2020. [5]

Fermilab alberga experimentos de neutrinos , como MicroBooNE (Experimento de neutrinos de refuerzo de micro), ICARUS (Imágenes de señales cósmicas y subterráneas raras), NOνA ( Apariencia de NuMI Off-Axis ν e ) y Muon g-2 . Los experimentos de neutrinos completados incluyen MINOS (búsqueda de oscilación de neutrinos del inyector principal), MINOS + , MiniBooNE y SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment), así como el experimento de objetivo fijo SeaQuest . El detector MiniBooNE era una esfera de 40 pies (12 m) de diámetro que contenía 800 toneladas de aceite mineral revestido con 1,520detectores de fototubos . Se estima que cada año se registraron 1 millón de eventos de neutrinos. SciBooNE se sentó en el mismo haz de neutrinos que MiniBooNE pero tenía capacidades de seguimiento de grano fino. El experimento NOνA utiliza, y el experimento MINOS utilizó, el haz NuMI (neutrinos en el inyector principal) de Fermilab , que es un haz intenso de neutrinos que viaja 455 millas (732 km) a través de la Tierra hasta la mina Soudan en Minnesota y el río Ash. , Minnesota, sitio del detector lejano NOνA. En 2017, el experimento de neutrinos ICARUS se trasladó del CERN al Fermilab, con planes para comenzar a operar en 2020. [6] [7]

Fermilab también se dedica a la investigación en ciencia de la información cuántica. [8] Fundó el Fermilab Quantum Institute en 2019. [9] Desde 2020, también alberga el centro SQMS (Superconducting Quantum and Materials Science). [10]

En el ámbito público, Fermilab alberga un proyecto de restauración del ecosistema de pradera nativa y alberga muchos eventos culturales: conferencias y simposios de ciencia pública, conciertos de música clásica y contemporánea, bailes folclóricos y galerías de arte. El sitio está abierto desde el amanecer hasta el anochecer para los visitantes que presenten una identificación válida con fotografía .

El asteroide 11998 Fermilab recibe su nombre en honor al laboratorio.

Historia [ editar ]

Robert Rathbun Wilson Hall

Weston, Illinois , era una comunidad cercana a Batavia que fue eliminada por la junta de la aldea en 1966 para proporcionar un sitio para Fermilab. [11]

El laboratorio fue fundado en 1969 como Laboratorio Nacional Acelerador ; [12] fue rebautizado en honor a Enrico Fermi en 1974. El primer director del laboratorio fue Robert Rathbun Wilson , bajo cuya dirección se abrió el laboratorio antes de tiempo y por debajo del presupuesto. Muchas de las esculturas del sitio son de su creación. Él es el homónimo del edificio de laboratorio de gran altura del sitio, cuya forma única se ha convertido en el símbolo del Fermilab y que es el centro de actividad en el campus.

Después de que Wilson renunció en 1978 para protestar por la falta de fondos para el laboratorio, Leon M. Lederman asumió el cargo. Fue bajo su guía que el acelerador original fue reemplazado por el Tevatron, un acelerador capaz de colisionar protones y antiprotones a una energía combinada de 1,96 TeV. Lederman dimitió en 1989 y siguió siendo Director Emérito hasta su muerte. El centro de educación científica en el sitio fue nombrado en su honor.

Los directores posteriores incluyen:

  • John Peoples , 1989 a 1996
  • Michael S. Witherell , julio de 1999 a junio de 2005
  • Piermaria Oddone , julio de 2005 a julio de 2013 [13]
  • Nigel Lockyer , septiembre de 2013 hasta la actualidad [14]

Fermilab continúa participando en el trabajo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC); Sirve como un sitio de nivel 1 en la red informática mundial del LHC. [15]

Aceleradores [ editar ]

Estado actual [ editar ]

Desde 2013, la primera etapa del proceso de aceleración (pre-inyector de acelerador) en la cadena de aceleradores del Fermilab [16] tiene lugar en dos fuentes de iones que convierten el gas hidrógeno en iones H - . El gas se introduce en un recipiente revestido con electrodos de molibdeno, cada uno de los cuales es un cátodo ovalado del tamaño de una caja de cerillas y un ánodo circundante, separados por 1 mm y mantenidos en su lugar por aisladores de vitrocerámica. Un magnetrón genera un plasma para formar los iones cerca de la superficie del metal. [ cita requerida ] Los iones son acelerados por la fuente a 35  keV y combinados por transporte de haz de baja energía (LEBT) en el cuadrupolo de radiofrecuencia(RFQ) que aplica un campo electrostático de 750  keV dando a los iones su segunda aceleración. A la salida de RFQ, el haz se adapta mediante transporte de haz de energía media (MEBT) a la entrada del acelerador lineal (linac). [17]

La siguiente etapa de aceleración es el acelerador de partículas lineal (linac). Esta etapa consta de dos segmentos. El primer segmento tiene 5 recipientes de vacío para tubos de deriva, operando a 201 MHz. La segunda etapa tiene 7 cavidades acopladas lateralmente, operando a 805 MHz. Al final del linac, las partículas se aceleran a 400  MeV , o aproximadamente el 70% de la velocidad de la luz . [18] [19] Inmediatamente antes de entrar en el siguiente acelerador, los iones H - pasan a través de una lámina de carbono y se convierten en iones H + ( protones ). [20]

Los protones resultantes luego ingresan al anillo de refuerzo, un acelerador circular de 468 m (1535 pies) de circunferencia cuyos imanes curvan haces de protones alrededor de una trayectoria circular. Los protones viajan alrededor del Booster unas 20.000 veces en 33 milisegundos, agregando energía con cada revolución hasta que dejan el Booster acelerado a 8  GeV . [20]

La aceleración final es aplicada por el Inyector Principal [circunferencia 3.319,4 m (10.890 pies)], que es el más pequeño de los dos anillos en la última imagen a continuación (primer plano). Completado en 1999, se ha convertido en el "patio de maniobras de partículas" del Fermilab [ cita requerida ] ya que puede enrutar protones a cualquiera de los experimentos instalados a lo largo de las líneas de haz después de acelerarlos a 120 GeV. Hasta 2011, el inyector principal proporcionaba protones al anillo antiprotón [circunferencia 6.283,2 m (20.614 pies)] y al Tevatron para una mayor aceleración, pero ahora proporciona el último empujón antes de que las partículas alcancen los experimentos de la línea del haz.

  • Dos fuentes de iones en el centro con dos gabinetes de electrónica de alto voltaje al lado [21]

  • Dirección del haz de derecha a izquierda: RFQ (plateado), MEBT (verde), primer tubo de deriva linac (azul) [21]

  • Un amplificador de potencia 7835 que se utiliza en la primera etapa de linac [18]

  • Un klystron de 12 MW utilizado en la segunda etapa del linac [18]

  • Una vista en corte de las cavidades de par lateral de 805 MHz [22]

  • Anillo de refuerzo [23]

  • Suena el acelerador del Fermilab. El inyector principal está en primer plano y el anillo antiprotón y Tevatron (inactivo desde 2011) están en segundo plano.

Plan de mejora de protones [ editar ]

Al reconocer las mayores demandas de haces de protones para respaldar nuevos experimentos, Fermilab comenzó a mejorar sus aceleradores en 2011. Se espera que continúe durante muchos años, [24] el proyecto tiene dos fases: Plan de mejora de protones (PIP) y Plan de mejora de protones-II (PIP). -II). [25]

PIP (2011-2018)

Los objetivos generales de PIP son aumentar la tasa de repetición del haz de refuerzo de 7 Hz a 15 Hz y reemplazar el hardware antiguo para aumentar la confiabilidad de la operación. [25] Antes del inicio del proyecto PIP, se estaba realizando una sustitución del inyector del preacelerador. El reemplazo de generadores Cockcroft-Walton de casi 40 añosa RFQ comenzó en 2009 y se completó en 2012. En la etapa Linac, los módulos del monitor de posición del haz analógico (BPM) fueron reemplazados por tableros digitales en 2013. Se espera que el reemplazo de las bombas de vacío Linac y el hardware relacionado se complete en 2015. A el estudio sobre la sustitución de los tubos de deriva de 201 MHz todavía está en curso. En la etapa de refuerzo, un componente importante del PIP es actualizar el anillo de refuerzo a una operación de 15 Hz. El Booster tiene 19 estaciones de radiofrecuencia. Originalmente, las estaciones de refuerzo funcionaban sin estado sólidosistema de accionamiento que era aceptable para 7 Hz pero no para funcionamiento a 15 Hz. Un proyecto de demostración en 2004 convirtió una de las estaciones a unidad de estado sólido antes del proyecto PIP. Como parte del proyecto, las estaciones restantes se convirtieron a estado sólido en 2013. Otra parte importante del proyecto PIP es renovar y reemplazar cavidades Booster de 40 años de antigüedad. Se han restaurado y probado muchas cavidades para que funcionen a 15 Hz. Se espera que se complete la remodelación de la cavidad en 2015, después de lo cual la tasa de repetición se puede aumentar gradualmente hasta la operación de 15 Hz. Una actualización a más largo plazo es reemplazar las cavidades Booster con un nuevo diseño. La investigación y el desarrollo de las nuevas cavidades están en marcha, y se espera su reemplazo en 2018. [24]

PIP-II
Prototipos de cavidades SRF que se utilizarán en el último segmento de PIP-II Linac [26]

Los objetivos del PIP-II incluyen un plan para entregar 1,2 MW de potencia de haz de protones desde el inyector principal al experimento de neutrinos subterráneos profundos.objetivo a 120 GeV y la potencia cercana a 1 MW a 60 GeV con posibilidad de extender la potencia a 2 MW en el futuro. El plan también debería respaldar los experimentos actuales de 8 GeV, incluidos Mu2e, Muon g-2 y otros experimentos de neutrinos de línea base corta. Estos requieren una actualización del Linac para inyectar al Booster con 800 MeV. La primera opción considerada fue agregar 400 MeV de Linac superconductor de "postcombustión" al final de los 400 MeV existentes. Esto habría requerido mover el Linac existente hasta 50 metros (160 pies). Sin embargo, hubo muchos problemas técnicos con este enfoque. En cambio, Fermilab está construyendo un nuevo Linac superconductor de 800 MeV para inyectarlo en el anillo Booster. La construcción del primer edificio para el acelerador PIP-II comenzó en 2020. [27]El nuevo sitio de Linac se ubicará en la parte superior de una pequeña porción de Tevatron cerca del anillo Booster para aprovechar la infraestructura eléctrica, de agua y criogénica existente. El PIP-II Linac tendrá una línea de transporte de haz de baja energía (LEBT), cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ) y una línea de transporte de haz de energía media (MEBT) operadas a temperatura ambiente a 162,5 MHz y aumento de energía de 0,03 MeV. El primer segmento de Linac operará a 162,5 MHz y la energía aumentará hasta 11 MeV. El segundo segmento de Linac operará a 325 MHz y la energía aumentará hasta 177 MeV. El último segmento de linac operará a 650 MHz y tendrá un nivel de energía final de 800 MeV. [28]

Experimentos [ editar ]

  • ANNIE
  • ArgoNeuT: el detector Argon Neutrino Teststand [29]
  • Búsqueda de materia oscura criogénica (CDMS) [30]
  • COUPP : Observatorio de Chicagoland para la física de partículas subterráneas [31]
  • Encuesta sobre la energía oscura (DES) [32]
  • Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE), anteriormente conocido como Experimento de neutrinos de línea de base larga (LBNE) [33]
  • Interferómetro holómetro [34]
  • Experimento ICARUS [7] Ubicado originalmente en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), contendrá 760 toneladas de argón líquido.
  • MAGIS100: Sensor interferométrico de gradiómetro atómico de ondas de materia de 100 metros de longitud [35] [36]
  • MiniBooNE : Experimento de neutrinos de refuerzo mini [37]
  • MicroBooNE : Experimento de neutrinos de microimpulsores [38]
  • MINOS : Búsqueda de oscilación de neutrinos del inyector principal [39]
  • MINERνA : Experimento del inyector principal con νs en As [40]
  • MIPP: Producción de partículas del inyector principal [41]
  • Mu2e : Experimento de conversión de muón a electrón [42]
  • Muon g − 2 : Medida del momento dipolar magnético anómalo del muón [43]
  • NOνA : NuMI fuera del eje ν e Aspecto [44]
  • SELEX: Experimento de espectrómetro de bariones de X grande segmentado, ejecutado para estudiar bariones encantados [45]
  • Sciboone : Experimento SciBar Booster Neutrino [46]
  • SeaQuest [47]
  • Detector de neutrinos de línea base corta [48]

Arquitectura [ editar ]

Interior de Wilson Hall

El primer director de Fermilab, Robert Wilson, insistió en que la tez estética del sitio no se vea empañada por una colección de edificios de bloques de hormigón. El diseño del edificio administrativo (Wilson Hall) se inspiró en la Catedral de San Pedro en Beauvais , Francia , [49] aunque se realizó en un estilo brutalista . Varios de los edificios y esculturas dentro de la reserva del Fermilab representan varias construcciones matemáticas como parte de su estructura.

La Espiral de Arquímedes es la forma definitoria de varias estaciones de bombeo , así como el edificio que alberga el experimento MINOS. El estanque reflectante en Wilson Hall también muestra un obelisco hiperbólico de 32 pies de altura (9,8 m) , diseñado por Wilson. Algunas de las líneas de transmisión de alto voltaje que transportan energía a través del terreno del laboratorio están construidas para hacer eco de la letra griega π . También se pueden encontrar ejemplos estructurales de la espiral de doble hélice de ADN y un guiño a la esfera geodésica .

Las esculturas de Wilson en el sitio incluyen Tractricious , un arreglo independiente de tubos de acero cerca del Complejo Industrial construido a partir de piezas y materiales reciclados del colisionador Tevatron, y el altísimo Broken Symmetry , que da la bienvenida a quienes ingresan al campus a través de la entrada de Pine Street. [50] Coronando el Auditorio Ramsey hay una representación de la banda de Möbius con un diámetro de más de 8 pies (2,4 m). También esparcidos por las carreteras de acceso y el pueblo hay una enorme prensa hidráulica y viejos canales de contención magnéticos, todos pintados de azul.

Desarrollos actuales [ editar ]

Fermilab desmanteló el experimento CDF ( Detector de colisionador en Fermilab ) [51] para hacer que el espacio estuviera disponible para IARC (Centro de investigación de aceleración de Illinois). [52] Se han iniciado los trabajos de construcción para LBNF / DUNE y PIP-II, mientras que los experimentos NOνA y Muon g − 2 continúan recopilando datos. [53] El laboratorio también lleva a cabo investigaciones en ciencia de la información cuántica, incluido el desarrollo de tecnología de teletransportación [54] para Internet cuántica y el aumento de la vida útil de los resonadores superconductores [55] para su uso en computadoras cuánticas.

LBNF / DUNE [ editar ]

Fermilab a partir de 2016 se convertirá en el líder mundial en física de neutrinos a través del Experimento de neutrinos subterráneos profundos en la instalación de neutrinos Long Baseline . Otros líderes son el CERN , que lidera la física de aceleradores con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), y Japón, que ha sido aprobado para construir y liderar el Colisionador Lineal Internacional (ILC). Fermilab será el sitio de la futura línea de luz de LBNF y la instalación de investigación subterránea de Sanford(SURF), en Lead, SD, es el sitio seleccionado para albergar el detector lejano masivo. El término "línea de base" se refiere a la distancia entre la fuente de neutrinos y el detector. El diseño de corriente del detector lejano es para cuatro módulos de argón líquido instrumentado con un volumen fiducial de 10 kilotones cada uno. Se espera que los dos primeros módulos estén completos en 2024, con el haz operativo en 2026. Se prevé que el módulo final esté operativo en 2027. [56] Un gran prototipo de detector construido en el CERN tomó datos con un haz de prueba de 2018-2020. . Los resultados muestran que ProtoDUNE se desempeñó con una eficiencia superior al 99%. [57]

El programa LBNF / DUNE en física de neutrinos planea medir parámetros físicos fundamentales con alta precisión y explorar la física más allá del Modelo Estándar . Se espera que las mediciones que realizará DUNE aumenten en gran medida la comprensión de la comunidad de físicos sobre los neutrinos y su papel en el universo, aclarando así mejor la naturaleza de la materia y la antimateria. Enviará el haz de neutrinos de mayor intensidad del mundo a un detector cercano en el sitio de Fermilab y al detector lejano a 800 millas (1300 km) de distancia en SURF.

Muon g − 2 [ editar ]

Artículo principal: Muon g − 2

Muon g − 2 : (pronunciado "gee menos dos") es un experimento de física de partículas para medir la anomalía del momento magnético de un muón con una precisión de 0,14  ppm , que será una prueba sensible del Modelo Estándar .

Edificio muon g − 2 (blanco y naranja) que alberga el imán

Fermilab continúa un experimento realizado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven para medir el momento dipolar magnético anómalo del muón .

El momento dipolar magnético ( g ) de un leptón cargado ( electrón , muón o tau ) es muy cercano a 2. La diferencia de 2 (la parte "anómala") depende del leptón y se puede calcular con bastante exactitud en función de la corriente Modelo estándar de física de partículas . Las medidas del electrón están en excelente acuerdo con este cálculo. El experimento de Brookhaven hizo esta medición para los muones, una medición mucho más difícil técnicamente debido a su corta vida útil, y detectó una discrepancia tentadora, pero no definitiva, de 3  σ entre el valor medido y el calculado.

El experimento de Brookhaven terminó en 2001, pero 10 años después, Fermilab adquirió el equipo, [58] y está trabajando para hacer una medición más precisa ( σ menor  ) que eliminará la discrepancia o, con suerte, la confirmará como un ejemplo observable experimentalmente de física más allá del modelo estándar .

Transporte del imán de 600 toneladas al Fermilab

El elemento central del experimento es un imán superconductor de 50 pies de diámetro con un campo magnético excepcionalmente uniforme. Esto fue transportado, en una sola pieza, desde Brookhaven en Long Island , Nueva York, a Fermilab en el verano de 2013. El movimiento atravesó 3,200 millas durante 35 días, principalmente en una barcaza por la costa este y por el Mississippi .

El imán se reacondicionó y se encendió en septiembre de 2015, [59] y se ha confirmado que tiene el mismo1300  ppm p-p de uniformidad de campo magnético básico que tenía antes de la mudanza. [60] : 4

El proyecto trabajó en calzar el imán para mejorar la uniformidad de su campo magnético. [60] Esto se había hecho en Brookhaven, [61] pero fue perturbado por la mudanza y tuvo que ser rehecho en Fermilab.

En 2018, el experimento comenzó a tomar datos en Fermilab. [62] En 2021, el laboratorio informó que los resultados del estudio inicial que involucró a la partícula desafiaron el Modelo Estándar , con el potencial para el descubrimiento de nuevas fuerzas y partículas. [63] [64]

Centro de Física del LHC (LPC) [ editar ]

El Centro de Física del LHC (LPC) en Fermilab es un centro regional de Compact Muon Solenoid Collaboration (el experimento se encuentra en el CERN ). El LPC ofrece una comunidad vibrante de científicos de CMS de los EE. UU. Y juega un papel importante en la puesta en servicio del detector de CMS y en el diseño y desarrollo de la actualización del detector. [sesenta y cinco]

Descubrimiento de partículas [ editar ]

En el verano de 1977, un equipo de físicos, dirigido por Leon M. Lederman , que trabajaba en el Experimento 288 , en la línea central de protones de las áreas objetivo fijas del Fermilab, descubrió el Upsilon ( quark Bottom ). [66]

Los experimentos CDF y D0 anunciaron el descubrimiento del quark top en 1995.

El descubrimiento del neutrino tau fue anunciado en julio de 2000 por la colaboración DONUT .

El 3 de septiembre de 2008, el descubrimiento de una nueva partícula, el barión omega inferior (
Ω-
b) fue anunciado en el experimento DØ de Fermilab. Está formado por dos quarks extraños y un quark de fondo . Este descubrimiento ayuda a completar la "tabla periódica de los bariones" y ofrece información sobre cómo los quarks forman la materia. [67]

Vida salvaje en Fermilab [ editar ]

En 1967, Wilson trajo cinco bisontes americanos al sitio, un toro y cuatro vacas, y el Departamento de Conservación de Illinois proporcionó 21 adicionales. [68] [69] Algunos lugareños temerosos creyeron al principio que los bisontes se introdujeron para que sirvieran de alarma si la radiación en el laboratorio alcanzaba niveles peligrosos, pero Fermilab les aseguró que esta afirmación no tenía ningún mérito. Hoy en día, la manada es una atracción popular que atrae a muchos visitantes [70] y los terrenos también son un santuario para otras poblaciones locales de vida silvestre. [71] [72] Se ha realizado un conteo navideño de aves en el laboratorio todos los años desde 1976. [73]

Trabajando con el distrito de Forest Preserve del condado de DuPage , Fermilab ha introducido lechuzas comunes en estructuras seleccionadas alrededor de los terrenos. [74]

En la cultura popular [ editar ]

Fermilab se menciona por primera vez en el episodio 9 de la temporada 12 ("The Citation Negation") de la comedia televisiva estadounidense The Big Bang Theory , donde se lo conocía por su nombre anterior de National Accelerator Laboratory . Se mencionó por primera vez como "Fermilab" en el episodio 13 de la temporada 12 ("La polarización de la confirmación") . Fermilab se menciona por primera vez en el episodio 16 de la temporada 6 ("The Tangible Affection Proof") .

Ver también [ editar ]

  • Gran ciencia
  • Centro para el Avance de la Ciencia en el Espacio: opera el Laboratorio Nacional de EE. UU. En la ISS.
  • CERN
  • Fermi Linux LTS
  • Linux científico
  • Centro acelerador lineal de Stanford

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

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