AlegsaOnline.com

Fermilab

Yazar: Leandro Alegsa

18-05-2022

Chicago yakınlarındaki Batavia, Illinois'in hemen dışında yer alan Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı (Fermilab), yüksek enerjili parçacık fiziği konusunda uzmanlaşmış bir ABD Enerji Bakanlığı ulusal laboratuvarıdır. Fermilab, 1 Ocak 2007 tarihinden itibaren Chicago Üniversitesi, Illinois Teknoloji Enstitüsü ve Üniversiteler Araştırma Birliği'nin (URA) ortak girişimi olan Fermi Araştırma Birliği tarafından işletilmektedir. Fermilab, Illinois Teknoloji ve Araştırma Koridoru'nun bir parçasıdır.

Fermilab'ın Tevatron'u önemli bir parçacık hızlandırıcısıydı; 3,9 mil (6,3 km) çevresiyle, 30 Eylül 2011'de kapatılana kadar dünyanın en büyük ikinci enerji parçacık hızlandırıcısıydı (CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın çevresi 27 km'dir). 1995 yılında Fermilab'daki iki ekip (CDF ve DØ, Tevatron'u kullanan dedektörler) üst kuarkın keşfini duyurdu.

Yüksek enerji çarpıştırıcı fiziğine ek olarak Fermilab, MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) ve MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) gibi bir dizi küçük sabit hedef ve nötrino deneyine de ev sahipliği yapmaktadır. MiniBooNE dedektörü, 1520 ayrı fototüp dedektörle kaplı 800 ton mineral yağ içeren 40 fit (12 m) çapında bir küredir. Her yıl tahmini 1 milyon nötrino olayı kaydedilmektedir. SciBooNE, Fermilab'daki en yeni nötrino deneyidir; MiniBooNE ile aynı nötrino demetinde yer alır, ancak ince taneli izleme yeteneklerine sahiptir. MINOS deneyi, Fermilab'ın NuMI (Ana Enjektördeki Nötrinolar) ışınını kullanır; bu ışın, Dünya'dan Minnesota'daki Soudan Madeni'ne 455 mil (732 km) yol kat eden yoğun bir nötrino demetidir.

Fermilab için büyük bir arazi parçası ayrılmıştır, ancak ekipmanın çoğu yeraltındadır. Fermilab bilim insanları, Illinois'in orijinal çayırını restore etmek için arazi yüzeyini bir deney olarak kullanmaya karar verdiler. Ayrıca Amerikan bizonu sürüsü yetiştirmek için bir çiftlik kurdular. Fermilab Doğa Alanları, bu programları yöneten ve kar amacı gütmeyen ayrı bir gruptur.

Asteroit 11998 Fermilab, laboratuvarın onuruna adlandırılmıştır.

Fermilab'ın uydu görüntüsü. İki dairesel yapı Ana Enjektör Halkası (küçük) ve Tevatron'dur (büyük).

Tarih

İkinci Dünya Savaşı ile 1960'lar arasında federal hükümet, yüksek enerjili fizik deneyleri yapmak üzere rakip üniversitelerdeki farklı parçacık hızlandırıcılarını finanse etti. Bunların en önemlileri, parçacıkları düz bir çizgi halinde gönderen Stanford Lineer Hızlandırıcısı (SLAC), SUNY Stoney Brook'taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve aynı mıknatısların parçacıklar üzerinde birçok kez çalışmasını sağlamak için parçacıkları bir daire şeklinde gönderen Cornell Üniversitesi senkrotronuydu. 1960'lara gelindiğinde, daha büyük atom parçalayıcılar inşa etmenin maliyeti her bir kampüsü finanse etmek için çok yüksekti ve bir sonraki dairesel hızlandırıcı için halka boyutu mevcut bir üniversite kampüsüne sığmayacak kadar büyük olacaktı. Bu nedenle federal hükümet, çeşitli üniversitelerden fizikçiler tarafından yönetilecek yeni bir yer kurmaya karar verdi. Bir yer seçmek için bir yarışma düzenlediler, ancak politikacılar bunun Illinois'de olması için mücadele ettiler.

Weston, Illinois, Batavia'nın yanında bir topluluktu. 1960'ların başında prefabrik evlerden oluşan bir alt bölüm olarak inşa edilmeye başlanmıştır. Satışlar çok yavaştı, bu nedenle arazi geliştiricileri yeni kasabanın kenarında yeni bir işveren olması için Fermilab'ı çekmeye çalıştı. Ancak, ihtiyaç duyulan arazi miktarının tüm kasabayı yutacağı ortaya çıktı. Bunun üzerine kasaba, inşa edilen evler de dahil olmak üzere tüm arazinin Fermilab'a satılması yönünde oy kullandı. Kasaba daha sonra dağıldı.

Laboratuvar 1967 yılında Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı olarak kuruldu; 1974 yılında Enrico Fermi'nin onuruna yeniden adlandırıldı. Laboratuvarın ilk müdürü Robert Rathbun Wilson'dır. Wilson kampüsteki heykellerin çoğunu yapmıştır. Zamanından önce ve bütçenin altında bitirilmesinden sorumlu olarak atfedilir. Eşsiz şekli Fermilab'ın sembolü haline gelmiş olan yüksek laboratuvar binasına onun adı verilmiştir ve bu bina kampüsteki faaliyetlerin merkezidir.

Yeni binalar tamamlanmadan önce, bilim insanları Weston evlerine taşındı ve ayrıca Fermilab'daki tüm çiftlik evleri ofis alanı olarak kullanılmak üzere o bölgeye taşındı. Weston'ın adını "Fermilab Köyü" olarak değiştirdiler. Halen ziyaretçi bilim insanlarına ev sahipliği yapmaktadır.

Wilson, orijinal 200 GeV hızlandırıcının inşasına yardımcı olması için Cornell senkrotronunu inşa eden ekibi getirdi. İki önemli buluş bu hızlandırıcıyı geçersiz kıldı: süper iletken mıknatıslar ve iki grup parçacığı zıt yönlerde göndermek için aynı hızlandırıcı halkayı kullanmak, böylece çarpıştıklarında iki kat daha fazla enerjiye sahip olacaklardı.

Wilson'ın 1978'de laboratuvara fon sağlanmamasını protesto etmek için istifa etmesinin ardından Leon M. Lederman görevi devraldı. Onun rehberliğinde orijinal hızlandırıcı Tevatron hızlandırıcısı ile değiştirildi. Yeni hızlandırıcı proton ve antiprotonu 1.96 TeV'lik birleşik enerjide çarpıştırma kapasitesine sahipti. Lederman 1988 yılında görevinden ayrılmıştır ve halen Emeritus Direktör olarak görev yapmaktadır. Tesis bünyesindeki bilim eğitim merkezine (öğrencilere ve halka hizmet veren) onun adı verilmiştir.

Laboratuvar 1988'den 1998'e kadar John Peoples tarafından yönetilmiştir. Bu tarihten 30 Haziran 2005 tarihine kadar laboratuvar Michael S. Witherell tarafından yönetilmiştir. 19 Kasım 2004 tarihinde, daha önce Kaliforniya'daki Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuarında görev yapan Piermaria Oddone, Fermilab'ın en yeni direktörü olarak ilan edildi. Oddone direktörlük görevine 1 Temmuz 2005'te başladı.

Fermilab, Worldwide LHC Computing Grid'de Tier 1 sitesi olarak hizmet vermek de dahil olmak üzere LHC'deki çalışmalara katılmaya devam ediyor. Illinois Eyaleti, bilim insanları ve endüstriyel ortaklar için Fermilab'da yeni bir Illinois Hızlandırıcı Araştırma Merkezi binasını finanse ediyor.

Hızlandırıcılar

Hızlandırma sürecindeki ilk aşama Cockcroft-Walton jeneratöründe gerçekleşir. Hidrojen gazını alıp molibden elektrotlarla kaplı bir kaba sokarak H⁻ iyonlarına dönüştürmeyi içerir: kibrit kutusu büyüklüğünde, oval şekilli bir katot ve 1 mm ile ayrılmış ve cam seramik izolatörler tarafından yerinde tutulan çevreleyen bir anot. Metal yüzeyin yakınında H⁻ oluşturmak üzere bir plazma üretmek için bir magnetron kullanılır. Cockcroft-Walton jeneratörü tarafından 750 keV elektrostatik alan uygulanır ve iyonlar kabın dışına doğru hızlandırılır. Bir sonraki adım, parçacıkları 400 MeV'e veya ışık hızının yaklaşık %70'ine kadar hızlandıran lineer hızlandırıcıdır (veya linac). Bir sonraki hızlandırıcıya girmeden hemen önce, H⁻ iyonları bir karbon folyodan geçerek H⁺ iyonlarına (protonlar) dönüşür.

Bir sonraki adım yükseltici halkadır. Güçlendirici halka, proton demetlerini dairesel bir yolda bükmek için mıknatıslar kullanan 468 m çapında dairesel bir hızlandırıcıdır. Linac'tan gelen protonlar Booster'ın etrafında 33 milisaniyede yaklaşık 20.000 kez dolaşırlar, böylece tekrar tekrar elektrik alanlarına maruz kalırlar. Her dönüşte protonlar daha fazla enerji toplar ve Booster'ı 8 GeV ile terk eder. Ana Enjektör hızlandırıcı zincirinin bir sonraki halkasıdır. 1999 yılında tamamlanan Ana Enjektör, üç işleviyle Fermilab'ın "parçacık şalt sahası" haline gelmiştir: protonları hızlandırır, antiproton üretimi için protonları gönderir ve antiproton kaynağından gelen antiprotonları hızlandırır. Son hızlandırıcı ise Tevatron'dur. Dünyadaki en güçlü ikinci parçacık hızlandırıcısıydı (CERN'in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı en güçlüsüdür). Neredeyse ışık hızında hareket eden protonlar ve antiprotonlar Tevatron'un etrafında zıt yönlerde dönerler. Fizikçiler ışınları, Tevatron tünelinin içindeki 5.000 tonluk iki dedektör DØ ve CDF'nin merkezlerinde 1,96 TeV'lik enerjilerde çarpışacak ve maddenin erken evrendeki koşullarını ve en küçük ölçekteki yapısını ortaya çıkaracak şekilde koordine ederler. Tevatron bir müzeye dönüştürülüyor.

Doğrusal hızlandırıcı aynı zamanda bir tıbbi tedavi tesisine de sahiptir. Doktorlar, hızlandırıcıdan tümörlerine proton veya nötron göndererek kanserli insanları tedavi ediyor.

Deneyler

Holometre interferometresi
Tevatron proton-antiproton çarpıştırıcısı: Fermilab'da DØ ve Çarpıştırıcı Dedektörü
MiniBooNE: Mini Booster Nötrino Deneyi
Sciboone: SciBar Booster Nötrino Deneyi
MINOS: Ana Enjektör Nötrino Salınım Araştırması
MINERνA: As üzerinde νs ile Ana Enjektör Deneyi
NOνA: NuMI Eksen Dışı ν_e Görünüm
MIPP: Ana Enjektör Partikül Üretimi

Sorular ve Yanıtlar

S: Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı nedir?

C: Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı (Fermilab), yüksek enerjili parçacık fiziği konusunda uzmanlaşmış bir ABD Enerji Bakanlığı ulusal laboratuvarıdır.

S: Fermilab'ı kim işletiyor?

C: 1 Ocak 2007 itibariyle Fermilab, Chicago Üniversitesi, Illinois Teknoloji Enstitüsü ve Üniversiteler Araştırma Birliği'nin (URA) ortak girişimi olan Fermi Araştırma Birliği tarafından işletilmektedir.

S: Tevatron parçacık hızlandırıcısı ne için kullanılıyordu?

C: Tevatron parçacık hızlandırıcısı üst kuarkı keşfetmek ve yüksek enerjili çarpıştırıcı fiziği deneyleri yapmak için kullanıldı.

S: Fermilab'da başka ne tür deneyler yapılmaktadır?

C: Yüksek enerji çarpıştırıcı fiziğine ek olarak, Fermilab ayrıca MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), SciBooNE (SciBar Booster Neutrino Experiment) ve MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) gibi daha küçük sabit hedef ve nötrino deneylerine de ev sahipliği yapmaktadır.

S: MiniBooNE dedektörü ne kadar büyük?

C: MiniBooNE dedektörü, 1520 ayrı fototüp dedektörle kaplı 800 ton mineral yağ içeren 40 fit (12 m) çapında bir küredir.

S: NuMI ışını Fermilab'dan ne kadar uzağa gider?

C: NuMI ışını Fermilab'dan Minnesota'daki Soudan Madenine kadar 455 mil (732 km) yol kat eder.

S: Fermilab kara yüzeyinde hangi programları başlattı?

C: Fermilab, arazi yüzeyinde Illinois'in orijinal çayırlarını restore etmek için bir deney ve bir Amerikan bizonu sürüsü yetiştirmek için bir çiftlik başlattı.