Fermilab

Fermilab, Amerika Birleşik Devletleri'nde Chicago kenti yakınlarındaki Batavia'da yer alan bir parçacık fiziği laboratuvarıdır. 1967'de National Accelerator Laboratory (Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı) adıyla kurulmuş, 1974'te Nobel ödüllü fizikçi Enrico Fermi'nin anısına adı Fermi National Accelerator Laboratory olarak değiştirilmiştir.
Fermilab'ın ev sahipliği yaptığı Tevatron parçacık hızlandırıcı 6,28 km'lik çevresiyle Avrupa Nükleer Araştırma Merkezinde (Cern) yer alan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndan sonraki en büyük parçacık hızlandırıcıdır. Bu parçacık hızlandırıcı 1995 yılında üst kuarkın keşfini sağlamıştır. Fermilab, yüksek enerjili çarpışma fiziği dışında MiniBooNE, SciBooNE ve MINOS gibi nötrino deneylerine de ev sahipliği yapmaktadır.
FermiLab'de ortaya çıkan buluşlar
Aşağıdaki parçacıklar ilk defa doğrudan FermiLab'de gözlemlenmiştir:
Üst kuark, 1995 yılında DØ deneyi ve CDF deneyi tarafından duyurulmuştur.
Kuark-antikuark çifti olarak gözlemlenen alt kuark, Upsilon mezon olarak adlandırılmış ve 1977'de Deney 228 tarafından duyurulmuştur.
DONUT işbirliği tarafından Temmuz 2000'de tau nötrino duyurulmuştur.
2008'de Fermilab'ın DØ deneyi tarafından alt Omega baryonu (Ω−b) duyurulmuştur.
1999'da, KTeV deneyindeki fizikçiler aynı zamanda kaon bozunmalarında doğrudan CP ihlalini gözlemleyen ilk kişilerdi.
DØ deneyi ve CDF deneyinin her biri, 2012'de duyurulan Higgs Bozonunun gözlemlenmesine önemli katkılarda bulunmuştur.
FermiLab ile ortaklaşa çalışan kurumlar
Chicago Üniversitesi
Northwestern Üniversitesi
Harvard Üniversitesi
Stanford Üniversitesi
Google
IBM
Johns Hopkins Üniversitesi
NASA Jet İtki Laboratuvarı (İngilizce: NASA Jet Propulsion Laboratory)
Lockheed Martin
Yale Üniversitesi
Georgia Teknoloji Enstitüsü
Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü
Argonne Ulusal Laboratuvarı
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı
Los Alamos Ulusal Laboratuvarı
Tarihi
Weston, Illinois, Batavia'nın yanında, 1966'da köy yönetim kurulu tarafından Fermilab'a bir yer sağlamak için oylanarak kapatılan bir topluluktu.
Laboratuvar 1969'da Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı olarak kuruldu; 1974'te Enrico Fermi'nin onuruna yeniden adlandırıldı. Laboratuvarın ilk yöneticisi Robert Rathbun Wilson'dı ve laboratuvar zamanından önce ve bütçesi altında açıldı. Sitedeki heykellerin çoğu onun eseridir. Eşsiz şekli Fermilab'ın simgesi haline gelen ve kampüsteki faaliyetin merkezi olan, sitenin yüksek katlı laboratuvar binasının isim babasıdır.
Wilson, 1978'de laboratuvar için fon eksikliğini protesto etmek için istifa ettikten sonra, işi Leon M. Lederman üstlendi. Orijinal hızlandırıcının, 1.96 TeV birleşik enerjide protonları ve antiprotonları çarpıştırabilen bir hızlandırıcı olan Tevatron ile değiştirilmesi onun rehberliğindeydi. Lederman 1989'da istifa etti ve ölümüne kadar Fahri Direktör olarak kaldı. Sitedeki bilim eğitim merkezi onun onuruna seçildi.
Hızlandırıcıları
Tevatron
2008 yılında Cenevre, İsviçre yakınlarındaki Büyük Hadron Çarpıştırıcısının (LHC) başlatılmasından önce, Tevatron dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısıydı, protonları ve antiprotonları 980 GeV enerjilere hızlandırıyordu ve proton-antiproton çarpışmalarını şu enerjilerle üretiyordu: 1,96 TeV'ye kadar, bir "tera-elektron-volt" enerjiye ulaşan ilk hızlandırıcı. 3,9 mil (6,3 km) ile çevredeki dünyanın dördüncü en büyük parçacık hızlandırıcısıydı. En önemli başarılarından biri, Tevatron'un CDF ve DØ dedektörlerini kullanan araştırma ekipleri tarafından duyurulan üst kuarkın 1995 yılında keşfedilmesiydi. 2011 yılında kapatıldı.
FermiLab Hızlandırıcı Kompleksi
2013 yılından bu yana, Fermilab hızlandırıcı zincirindeki hızlandırma işleminin (ön hızlandırıcı enjektörü) ilk aşaması, hidrojen gazını iyonize eden iki iyon kaynağında gerçekleşir. Gaz, her biri kibrit kutusu boyutunda, oval şekilli bir katot ve çevreleyen bir anot olan, 1 mm ile ayrılmış ve cam seramik yalıtkanlarla yerinde tutulan molibden elektrotlarla kaplı bir kaba verilir. Bir magnetron, metal yüzeye yakın iyonları oluşturmak için bir plazma üretir. İyonlar, kaynak tarafından 35 keV'ye hızlandırılır ve düşük enerjili ışın nakli (LEBT) ile radyo frekanslı dört kutuplu (RFQ) ile eşleştirilir. 750 keV elektrostatik alan iyonlara ikinci ivmelerini veriyor. RFQ'nun çıkışında ışın, orta enerjili ışın aktarımı (MEBT) ile doğrusal hızlandırıcının (linak) girişine eşleştirilir.
İvmenin bir sonraki aşaması doğrusal parçacık hızlandırıcıdır (linac). Bu aşama iki bölümden oluşmaktadır. İlk segment, 201 MHz'de çalışan beş sürüklenme tüpü boşluğuna sahiptir. İkinci aşamada, 805 MHz'de çalışan, yan bağlantılı yedi boşluk vardır. Lineak'ın sonunda, parçacıklar 400 MeV'ye veya ışık hızının yaklaşık %70'ine kadar hızlandırılır. Bir sonraki hızlandırıcıya girmeden hemen önce, H- iyonları bir karbon folyodan geçerek H+ iyonları (protonlar) haline gelir.
Ortaya çıkan protonlar daha sonra, mıknatısları proton ışınlarını dairesel bir yol etrafında büken 468 m (1.535 ft) çevre dairesel bir hızlandırıcı olan destek halkasına girer. Protonlar, Booster'ın etrafında 33 milisaniyede yaklaşık 20.000 kez dolaşır ve Booster'dan 8 GeV hızlanana kadar her dönüşte enerji ekler. 2021'de laboratuvar, en yeni süper iletken YBCO mıknatısının alan gücünü saniyede 290 tesla oranında artırabileceğini ve yaklaşık 0,5 tesla'lık bir tepe manyetik alan gücüne ulaşabileceğini duyurdu.
Son hızlanma, aşağıdaki son resimde (ön plan) iki halkadan daha küçük olan Ana Enjektör [çevre 3.319,4 m (10.890 ft)] tarafından uygulanır. 1999'da tamamlanan bu sistem, protonları 120 GeV'ye hızlandırdıktan sonra ışın hatları boyunca kurulan deneylerden herhangi birine yönlendirebildiği için Fermilab'ın "parçacık şalt sahası" haline geldi. 2011 yılına kadar, Ana Enjektör antiproton halkasına [çevre 6.283,2 m (20.614 ft)] protonlar ve daha fazla hızlanma için Tevatron sağladı, ancak artık parçacıklar ışın hattı deneylerine ulaşmadan önceki son itişi sağlıyor.
Kampüsü
Erişim
2010'ların sonlarında ve 2020'lerin başlarında Fermilab yönetimi, halkın ve bilim adamlarının Fermilab sitesine erişimine ciddi kısıtlamalar getirmeye başladı. Nisan 2023'ün sonunda, kısıtlamalar o kadar zahmetli hale geldi ki, 2300'den fazla fizikçi ve laboratuvar ziyaretçisi, "Fermilab'ı yeniden açmak için seçilmiş temsilcilere açık bir dilekçe" imzaladı. Dilekçede şunlar belirtildi: "Erişim politikası değişiklikleri, Fermilab'ın temel işleyişinin yanı sıra bilimsel sürecin kritik yönlerini baltalıyor. Araştırma toplantılarına ev sahipliği yapmak, olası çalışanlarla röportaj yapmak, laboratuvar dışında bilim insanlarıyla işbirliği yapmak ve etkililiğiyle ünlü eğitim programlarımızı hayata geçirmek engellendi. Dilekçede genel halkla ilgili olarak şu ifadeler yer aldı: Bugün, genel halkın erişime yalnızca izin veriliyor. ana yol ve giderek daha sıkı hale gelen kimlik gereklilikleri ile yakında kapıları turistlere ve hatta bazı göçmenlere kapatılacak. Artık tesis çevresinde serbestçe araç veya bisiklet kullanamıyoruz. Köpek parkı, en üst kattaki sergileriyle Wilson Hall ve diğer alanlara artık genel olarak erişilemiyor. Halka açık olan balıkçılık ve diğer faaliyetler iptal edilmiştir. Dilekçe, erişim politikalarının daha önce laboratuvarı yöneten açık laboratuvar modeline döndürülmesini ısrarla talep etti.
Mimarisi
Fermilab'ın ilk yöneticisi Robert Wilson, sitenin estetik görünümünün bir dizi beton blok bina tarafından bozulmaması konusunda ısrar etti. İdari binanın (Wilson Hall) tasarımı, Brutalist tarzda gerçekleştirilmesine rağmen, Fransa'nın Beauvais kentindeki St. Pierre Katedrali'nden esinlenmiştir. Fermilab koruma alanındaki birçok bina ve heykel, yapılarının bir parçası olarak çeşitli matematiksel yapıları temsil ediyor.
Arşimet Spirali, birkaç pompa istasyonunun yanı sıra MINOS deneyini barındıran binanın tanımlayıcı şeklidir. Wilson Hall'daki yansıtan gölet, Wilson tarafından tasarlanan 32 fit yüksekliğinde (9,8 m) hiperbolik bir dikilitaşı da sergiliyor. Laboratuvarın arazisinden güç taşıyan bazı yüksek voltajlı iletim hatları, Yunanca π harfini yansıtacak şekilde inşa edilmiştir. DNA çift sarmal sarmalının yapısal örnekleri ve jeodezik küreye bir selam da bulunabilir.
Wilson'ın sitedeki heykelleri arasında Tevatron çarpıştırıcısından geri dönüştürülen parçalardan ve malzemelerden inşa edilen Sanayi Kompleksi yakınında bağımsız bir çelik boru düzenlemesi olan Tractricious ve Pine Street girişinden kampüse girenleri karşılayan yükselen Broken Symmetry yer alıyor. Ramsey Oditoryumunu taçlandırmak, çapı 2,4 m'den (8 fit) fazla olan Möbius şeridinin bir temsilidir. Ayrıca erişim yollarına ve köye dağılmış, tamamı maviye boyanmış devasa bir hidrolik pres ve eski manyetik muhafaza kanalları var.
Yaban Hayatı
1967'de Wilson sahaya beş Amerikan bizonu, bir boğa ve dört inek getirdi ve Illinois Koruma Departmanı tarafından ek olarak 21 tane daha sağlandı. Yerel halk, ilk başta bizonların laboratuvardaki radyasyon tehlikeli seviyelere ulaştığında bir alarm görevi görmesi için sokulduğuna inandı, ancak Fermilab tarafından bu iddianın hiçbir değeri olmadığına dair güvence verildi. Bugün Fermilab bizon sürüsü, birçok ziyaretçiyi çeken popüler bir cazibe merkezidir ve arazi aynı zamanda diğer yerel yaban hayatı popülasyonları için bir sığınaktır. 1976'dan beri laboratuvarda her yıl Noel Kuş Sayımı yapılmaktadır.
Deneyler
Tevatron proton-antiproton çarpıştırıcı: D0 ve Fermilab çarpıştırıcı algılayıcısı
MiniBooNE: Mini Booster Neutrino Experiment - Mini Booster Nötrino Deneyi
Sciboone: SciBar Booster Neutrino Experiment - Scibar Booster Nötrino Deneyi
MINOS: Main Injector Neutrino Oscillation Search - Ana Enjektör Nötrino Titreşim Araştırması
MIPP: Main Injector Particle Production - Ana Enjektör Parçacık Üretimi