Fermilab

Storia

Tra la seconda guerra mondiale e gli anni '60, il governo federale ha finanziato diversi acceleratori di particelle in università concorrenti per costruire esperimenti di fisica delle alte energie. I più notevoli erano lo Stanford Linear Accelerator (SLAC), che inviava particelle in linea retta, il Brookhaven National Laboratory della SUNY Stoney Brook e il sincrotrone della Cornell University, che inviava particelle in circolo per avere gli stessi magneti che funzionavano sulle particelle molte volte. Negli anni '60, il costo della costruzione di atomizzatori più grandi era troppo alto per finanziare ogni singolo campus, e la dimensione dell'anello per il successivo acceleratore circolare sarebbe stata troppo grande per adattarsi ad un campus universitario esistente. Così, il governo federale decise di avviare una nuova sede che sarebbe stata gestita da fisici di diverse università. Hanno indetto un concorso per scegliere un sito, ma i politici si sono battuti perché fosse in Illinois.

Weston, Illinois, era una comunità vicino a Batavia. Era una suddivisione di case prefabbricate iniziata nei primi anni Sessanta. Le vendite erano molto lente, così i promotori immobiliari cercarono di attrarre Fermilab come nuovo datore di lavoro ai margini della nuova città. Tuttavia, si è scoperto che la quantità di terra necessaria avrebbe inghiottito l'intera città. Così, la città votò per vendere tutti i terreni, comprese le case che erano state costruite al Fermilab. La città si sciolse.

Il laboratorio è stato fondato nel 1967 come Laboratorio Nazionale Acceleratore; è stato rinominato nel 1974 in onore di Enrico Fermi. Il primo direttore del laboratorio è stato Robert Rathbun Wilson. Wilson realizzò molte delle sculture del campus. Gli viene attribuito il merito di averle ultimate in anticipo e sotto budget. L'alto edificio del laboratorio sul sito, la cui forma unica è diventata il simbolo del Fermilab, prende il nome in suo onore, ed è il centro delle attività del campus.

Prima che i nuovi edifici potessero essere terminati, gli scienziati si sono trasferiti nelle case Weston e hanno anche spostato tutte le case coloniche del Fermilab in quel luogo per utilizzarle come uffici. Hanno ribattezzato Weston, "Fermilab Village". Esso ospita ancora gli scienziati in visita.

Wilson ha portato il team che aveva costruito il sincrotrone Cornell per aiutare a costruire l'acceleratore originale 200 GeV. Due importanti invenzioni hanno reso obsoleto questo acceleratore: magneti superconduttori e l'utilizzo dello stesso anello dell'acceleratore per inviare due gruppi di particelle in direzioni opposte, in modo che quando si scontrano abbiano il doppio dell'energia.

Dopo che Wilson si è dimesso nel 1978 per protestare contro la mancanza di fondi per il laboratorio, Leon M. Lederman ha accettato il lavoro. Fu sotto la sua guida che l'acceleratore originale fu sostituito con l'acceleratore Tevatron. Il nuovo acceleratore era in grado di far collidere un protone e un antiprotone con un'energia combinata di 1,96 TeV. Lederman si è dimesso nel 1988 e rimane Direttore Emerito. Il centro di educazione scientifica in loco (che serve gli studenti e il pubblico in generale) è stato nominato in suo onore.

Dal 1988 al 1998 il laboratorio è stato gestito da John Peoples. Da quel momento fino al 30 giugno 2005, il laboratorio è stato gestito da Michael S. Witherell. Il 19 novembre 2004 Piermaria Oddone, già del Lawrence Berkeley National Laboratory in California, è stata annunciata come nuovo direttore del Fermilab. Oddone ha iniziato il suo mandato come direttore il 1° luglio 2005.

Fermilab continua a partecipare ai lavori nel LHC, anche come sito Tier 1 nella Worldwide LHC Computing Grid. Lo Stato dell'Illinois sta finanziando un nuovo edificio dell'Illinois Accelerator Research Center presso il Fermilab per scienziati e partner industriali.

Robert Rathbun Wilson Hall

Acceleratori

La prima fase del processo di accelerazione avviene nel generatore Cockcroft-Walton. Si tratta di prendere il gas idrogeno e di trasformarlo in ioni H, introducendolo in un contenitore rivestito di elettrodi di molibdeno: un catodo di forma ovale, delle dimensioni di una scatola di fiammiferi, e un anodo circostante, separati da 1 mm e tenuti in posizione da isolatori in vetroceramica. Un magnetrone viene utilizzato per generare un plasma per formare H- vicino alla superficie metallica. Un campo elettrostatico di 750 keV è applicato dal generatore Cockcroft-Walton, e gli ioni sono accelerati fuori dal contenitore. Il passo successivo è l'acceleratore lineare (o linac), che accelera le particelle a 400 MeV, o circa il 70% della velocità della luce. Poco prima di entrare nell'acceleratore successivo, gli ioni H- passano attraverso una lamina di carbonio, diventando ioni H+ (protoni).

Il passo successivo è l'anello di richiamo. L'anello booster è un acceleratore circolare di 468 m di circonferenza che utilizza magneti per piegare fasci di protoni in un percorso circolare. I protoni provenienti dalla Linac viaggiano intorno al Booster circa 20.000 volte in 33 millisecondi, in modo da sperimentare ripetutamente i campi elettrici. Ad ogni rivoluzione i protoni raccolgono più energia, lasciando il Booster con 8 GeV. L'iniettore principale è il prossimo anello della catena dell'acceleratore. Completato nel 1999, è diventato il "cantiere di commutazione delle particelle" di Fermilab con tre funzioni: accelera i protoni, fornisce protoni per la produzione di antiprotoni, e accelera gli antiprotoni provenienti dalla sorgente di antiprotoni. L'acceleratore finale è stato il Tevatron. Era il secondo acceleratore di particelle più potente al mondo (il Large Hadron Collider del CERN è il più potente). Viaggiando quasi alla velocità della luce, protoni e antiprotoni circondano il Tevatron in direzioni opposte. I fisici coordinano i raggi in modo che si scontrino al centro di due rivelatori DØ e CDF da 5.000 tonnellate all'interno del tunnel del Tevatron ad energie di 1,96 TeV, rivelando le condizioni della materia nel primo universo e la sua struttura alla scala più piccola. Il Tevatron è stato trasformato in un museo.

L'acceleratore lineare dispone anche di una struttura per le cure mediche. I medici curano le persone con il cancro sparando protoni o neutroni dall'acceleratore nei loro tumori.

Gli anelli dell'acceleratore del Fermilab

Esperimenti

• Interferometro olografico
• Collisore protone-antiprotone Tevatron: DØ e rivelatore di collisore al Fermilab
• MiniBooNE: Esperimento Mini Booster Neutrino
• Sciboone: Esperimento SciBar Booster Neutrino
• MINOS: Iniettore principale Neutrino oscillazione ricerca
• MINERνA: Iniettore principale ExpeRiment con νs su As
• NOνA: NuMI Fuori asse νe Aspetto
• MIPP: Produzione di particelle dell'iniettore principale