Fermi National Accelerator Laboratory

Geschichte

Zwischen dem Zweiten Weltkrieg und den 1960er Jahren finanzierte die Bundesregierung verschiedene Teilchenbeschleuniger an konkurrierenden Universitäten zum Bau von Hochenergiephysik-Experimenten. Am bemerkenswertesten waren der Stanford Linear Accelerator (SLAC), der Teilchen in einer geraden Linie schickte, das Brookhaven National Laboratory an der SUNY Stoney Brook und das Synchrotron der Cornell University, das Teilchen in einem Kreis herumschickte, so dass dieselben Magnete viele Male auf die Teilchen wirkten. In den 1960er Jahren waren die Kosten für den Bau größerer Atomzertrümmerer zu hoch, um jeden einzelnen Campus zu finanzieren, und die Größe des Rings für den nächsten Kreisbeschleuniger wäre zu groß, um auf einen bestehenden College-Campus zu passen. Daher beschloss die Bundesregierung, einen neuen Standort zu gründen, der von Physikern mehrerer Universitäten betrieben werden sollte. Sie veranstalteten einen Wettbewerb, um einen Standort auszuwählen, aber die Politiker kämpften dafür, dass er in Illinois liegen sollte.

Weston, Illinois war eine Gemeinde in der Nähe von Batavia. Es war eine Unterteilung von Fertighäusern, die in den frühen 1960er Jahren begann. Der Verkauf ging nur sehr langsam voran, so dass die Grundstücksentwickler versuchten, Fermilab als neuen Arbeitgeber am Rande der neuen Stadt zu gewinnen. Es stellte sich jedoch heraus, dass die benötigte Landmenge die gesamte Stadt verschlingen würde. Also beschloss die Stadt, das gesamte Land, einschließlich der Häuser, die gebaut worden waren, an Fermilab zu verkaufen. Daraufhin löste sich die Stadt auf.

Das Labor wurde 1967 als Nationales Beschleunigerlaboratorium gegründet; 1974 wurde es zu Ehren von Enrico Fermi umbenannt. Der erste Direktor des Labors war Robert Rathbun Wilson. Wilson schuf viele der Skulpturen auf dem Campus. Ihm wird zugeschrieben, dass er dafür verantwortlich war, dass sie vorzeitig und unter Budget fertig gestellt wurden. Das Laborhochhaus auf dem Gelände, dessen einzigartige Form zum Symbol für Fermilab geworden ist, wurde ihm zu Ehren benannt und ist das Zentrum der Aktivitäten auf dem Campus.

Bevor die neuen Gebäude fertiggestellt werden konnten, zogen die Wissenschaftler in die Häuser in Weston ein und verlegten auch alle Farmhäuser auf Fermilab an diesen Standort, um sie als Büroräume zu nutzen. Sie benannten Weston in "Fermilab Village" um. Es beherbergt immer noch Gastwissenschaftler.

Wilson holte das Team, das das Cornell-Synchrotron gebaut hatte, um beim Bau des ursprünglichen 200-GeV-Beschleunigers zu helfen. Zwei wichtige Erfindungen machten diesen Beschleuniger überflüssig: supraleitende Magnete und die Verwendung desselben Beschleunigerrings, um zwei Gruppen von Teilchen in entgegengesetzte Richtungen zu schicken, so dass sie beim Zusammenprall die doppelte Energie haben würden.

Nachdem Wilson 1978 zurücktrat, um gegen die mangelnde Finanzierung des Labors zu protestieren, übernahm Leon M. Lederman diese Aufgabe. Unter seiner Leitung wurde der ursprüngliche Beschleuniger durch den Tevatron-Beschleuniger ersetzt. Der neue Beschleuniger war in der Lage, Proton und ein Antiproton bei einer kombinierten Energie von 1,96 TeV miteinander zu kollidieren. Lederman trat 1988 zurück und bleibt Direktor Emeritus. Das wissenschaftliche Bildungszentrum vor Ort (das Studenten und der Öffentlichkeit dient) wurde ihm zu Ehren benannt.

Von 1988 bis 1998 wurde das Labor von John Peoples betrieben. Von diesem Zeitpunkt an bis zum 30. Juni 2005 wurde das Labor von Michael S. Witherell geleitet. Am 19. November 2004 wurde Piermaria Oddone, ehemals vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien, zum neuen Direktor des Fermilab ernannt. Oddone begann seine Amtszeit als Direktor am 1. Juli 2005.

Fermilab nimmt weiterhin an den Arbeiten im LHC teil und dient u.a. als Tier-1-Standort im Worldwide LHC Computing Grid. Der Bundesstaat Illinois finanziert ein neues Gebäude des Illinois Accelerator Research Center am Fermilab für Wissenschaftler und Industriepartner.

Robert Rathbun Wilson Hall

Beschleuniger

Die erste Stufe des Beschleunigungsprozesses findet im Cockcroft-Walton-Generator statt. Dabei wird Wasserstoffgas in H--Ionen umgewandelt, indem es in einen mit Molybdänelektroden ausgekleideten Behälter geleitet wird: eine streichholzschachtelgroße, ovale Kathode und eine umgebende Anode, die durch 1 mm voneinander getrennt sind und durch Glaskeramikisolatoren gehalten werden. Mit Hilfe eines Magnetrons wird ein Plasma zur Bildung von H- nahe der Metalloberfläche erzeugt. Ein elektrostatisches Feld von 750 keV wird durch den Cockcroft-Walton-Generator angelegt, und die Ionen werden aus dem Behälter heraus beschleunigt. Der nächste Schritt ist der Linearbeschleuniger (oder Linac), der die Teilchen auf 400 MeV oder etwa 70% der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Kurz vor dem Eintritt in den nächsten Beschleuniger durchlaufen die H--Ionen eine Kohlenstofffolie und werden zu H+-Ionen (Protonen).

Der nächste Schritt ist der Booster-Ring. Der Booster-Ring ist ein Kreisbeschleuniger mit einem Umfang von 468 m, der mit Hilfe von Magneten Protonenstrahlen auf eine Kreisbahn biegt. Die aus dem Linac kommenden Protonen laufen in 33 Millisekunden etwa 20.000 Mal um den Booster herum, so dass sie wiederholt elektrische Felder erfahren. Mit jeder Umdrehung nehmen die Protonen mehr Energie auf und verlassen den Booster mit 8 GeV. Der Hauptinjektor ist das nächste Glied in der Beschleunigerkette. Er wurde 1999 fertiggestellt und hat sich zu Fermilabs "Teilchenschaltanlage" mit drei Funktionen entwickelt: Er beschleunigt Protonen, er liefert Protonen für die Antiprotonenproduktion und er beschleunigt Antiprotonen, die von der Antiprotonenquelle kommen. Der letzte Beschleuniger war das Tevatron. Es war der zweitstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt (der Large Hadron Collider des CERN war der leistungsstärkste). Protonen und Antiprotonen kreisen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung um das Tevatron. Die Physiker koordinieren die Strahlen so, dass sie in den Zentren von zwei 5.000-Tonnen-Detektoren DØ und CDF im Inneren des Tevatron-Tunnels bei Energien von 1,96 TeV kollidieren, was die Bedingungen der Materie im frühen Universum und ihre Struktur im kleinsten Maßstab offenbart. Das Tevatron wird zu einem Museum umgebaut.

Der Linearbeschleuniger verfügt auch über eine medizinische Behandlungseinrichtung. Ärzte behandeln Menschen mit Krebs, indem sie Protonen oder Neutronen aus dem Beschleuniger in ihre Tumore schießen.

Die Beschleunigerringe von Fermilab

Experimente

• Holometer-Interferometer
• Tevatron-Proton-Antiproton-Collider: DØ- und Collider-Detektor am Fermilab
• MiniBooNE: Mini-Booster-Neutrino-Experiment
• Sciboone: SciBar-Booster-Neutrino-Experiment
• MINOS: Suche nach der Neutrino-Oszillation des Hauptinjektors
• MINERνA: Haupt-Injektor-ExpeRiment mit νs auf As
• NOνA: NuMI Off-axis _νe Erscheinungsbild
• MIPP: Produktion von Hauptinjektor-Partikeln