Fermilab

Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), nos arredores de Batavia, Illinois, perto de Chicago, é um laboratório nacional do Departamento de Energia dos EUA especializado em física de partículas de alta energia. Desde 1º de janeiro de 2007, o Fermilab é operado pela Fermi Research Alliance, uma joint venture da Universidade de Chicago, Instituto de Tecnologia deIllinois e a Associação de Pesquisa Universitária (URA). Fermilab é uma parte do Corredor de Tecnologia e Pesquisa de Illinois.

O Tevatron do Fermilab foi um marco no acelerador de partículas; com 6,3 km de circunferência, foi o segundo maior acelerador de partículas de energia do mundo (o Grande Colisor de Hadrões do CERN tem 27 km de circunferência), até ser desligado em 30 de setembro de 2011. Em 1995, duas equipes no Fermilab (CDF e DØ, detectores que utilizam o Tevatron) anunciaram a descoberta do quark superior.

Além da física do colisor de alta energia, o Fermilab também hospeda uma série de experimentos menores de alvo fixo e neutrino, tais como MiniBooNE (Experimento Mini Booster Neutrino), SciBooNE (Experimento SciBar Booster Neutrino) e MINOS (Pesquisa de Oscilação Neutrino do Injetor Principal). O detector MiniBooNE é uma esfera de 12 m (40 pés) de diâmetro que contém 800 toneladas de óleo mineral revestida com 1520 detectores fototubulares individuais. Estima-se que 1 milhão de eventos de neutrino são registrados a cada ano. SciBooNE é a mais nova experiência em neutrinos no Fermilab; ele se encontra no mesmo feixe de neutrinos do MiniBooNE, mas tem capacidade de rastreamento de granulometria fina. O experimento MINOS usa o feixe NuMI (Neutrinos no Injetor Principal) da Fermilab, que é um feixe intenso de neutrinos que percorre 455 milhas (732 km) pela Terra até a Mina Soudan em Minnesota.

Um grande pedaço de terra foi reservado para o Fermilab, mas grande parte do equipamento está no subsolo. Os cientistas do Fermilab decidiram usar a superfície do terreno como um experimento para restaurar a pradaria original de Illinois. Eles também iniciaram uma fazenda para criar uma manada de bisontes americanos. O Fermilab Nature Areas é um grupo separado sem fins lucrativos que administra estes programas.

O asteróide 11998 Fermilab é nomeado em homenagem ao laboratório.

Uma vista de satélite do Fermilab. As duas estruturas circulares são o Anel Injetor Principal (pequeno) e o Tevatron (grande).
Uma vista de satélite do Fermilab. As duas estruturas circulares são o Anel Injetor Principal (pequeno) e o Tevatron (grande).

História

Entre a Segunda Guerra Mundial e os anos 60, o governo federal financiou diferentes aceleradores de partículas em universidades concorrentes para construir experimentos de física de alta energia. Os mais notáveis foram o Acelerador Linear de Stanford (SLAC), que enviou partículas em linha reta, o Laboratório Nacional Brookhaven na SUNY Stoney Brook e o sincrotron da Cornell University, que enviou partículas em círculo para que os mesmos ímãs trabalhassem muitas vezes sobre as partículas. Nos anos 60, o custo de construção de trituradores de átomo maiores era muito alto para financiar cada campus individual, e o tamanho do anel para o próximo acelerador circular seria muito grande para caber em um campus universitário existente. Assim, o governo federal decidiu iniciar um novo local para ser administrado por físicos de várias universidades. Eles fizeram uma competição para escolher um local, mas os políticos lutaram para que ele fosse em Illinois.

Weston, Illinois, era uma comunidade ao lado de Batavia. Era uma subdivisão de casas pré-fabricadas, iniciada no início dos anos 60. As vendas eram muito lentas, então os promotores imobiliários tentaram atrair a Fermilab para ser um novo empregador na periferia da nova cidade. No entanto, descobriu-se que a quantidade de terra necessária iria engolir a cidade inteira. Assim, a cidade votou pela venda de todos os terrenos, incluindo as casas que haviam sido construídas para a Fermilab. A cidade foi então dissolvida.

O laboratório foi fundado em 1967 como o Laboratório Nacional de Aceleradores; foi renomeado em homenagem a Enrico Fermi em 1974. O primeiro diretor do laboratório foi Robert Rathbun Wilson. Wilson fez muitas das esculturas no campus. Ele é atribuído como sendo o responsável por ter sido terminado antes do tempo e sob orçamento. O prédio do laboratório em alta elevação no local, cuja forma única se tornou o símbolo do Fermilab, é nomeado em sua homenagem, e é o centro de atividade no campus.

Antes que as novas construções pudessem ser concluídas, os cientistas se mudaram para as casas Weston e também mudaram todas as casas agrícolas do Fermilab para aquele local para uso como espaço de escritório. Eles renomearam Weston, "Aldeia Fermilab". Ela ainda abriga cientistas visitantes.

Wilson trouxe a equipe que tinha construído o Cornell synchrotron para ajudar a construir o acelerador original de 200 GeV. Duas importantes invenções tornaram este acelerador obsoleto: ímãs supercondutores e a utilização do mesmo anel de aclerador para enviar dois grupos de partículas em direções opostas para que, quando o choque ocorresse, elas tivessem o dobro da energia.

Depois que Wilson se demitiu em 1978 para protestar contra a falta de fundos para o laboratório, Leon M. Lederman assumiu o cargo. Foi sob sua orientação que o acelerador original foi substituído pelo acelerador Tevatron. O novo acelerador era capaz de colidir próton e um antiproton com uma energia combinada de 1,96 TeV. Lederman se demitiu em 1988 e continua Diretor Emérito. O centro de educação científica no local (que atende estudantes e o público em geral) foi nomeado em sua homenagem.

De 1988 a 1998, o laboratório foi dirigido por John Peoples. Daquele tempo até 30 de junho de 2005, o laboratório foi dirigido por Michael S. Witherell. Em 19 de novembro de 2004, Piermaria Oddone, anteriormente do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley na Califórnia, foi anunciado como o mais novo diretor da Fermilab. Oddone iniciou seu mandato como diretor em 1º de julho de 2005.

O Fermilab continua a participar do trabalho no LHC, inclusive servindo como um site Tier 1 na Rede Mundial de Computação LHC. O Estado de Illinois está financiando um novo edifício do Centro de Pesquisa de Aceleradores de Illinois no Fermilab para cientistas e parceiros industriais.

Robert Rathbun Wilson Hall
Robert Rathbun Wilson Hall

Aceleradores

A primeira etapa do processo de aceleração ocorre no gerador Cockcroft-Walton. Envolve pegar gás hidrogênio e transformá-lo em íons H introduzindo-o em um recipiente revestido com eletrodos de molibdênio: um catodo do tamanho de uma caixa de fósforos, de forma oval e um ânodo ao redor, separado por 1 mm e mantido no lugar por isoladores de cerâmica de vidro. Um magnetrão é usado para gerar um plasma para formar um H- perto da superfície metálica. Um campo eletrostático de 750 keV é aplicado pelo gerador Cockcroft-Walton, e os íons são acelerados para fora do recipiente. O próximo passo é o acelerador linear (ou linac), que acelera as partículas para 400 MeV, ou cerca de 70% da velocidade da luz. Logo antes de entrar no próximo acelerador, os íons H passam por uma folha de carbono, tornando-se íons H+ (prótons).

O próximo passo é o anel impulsionador. O anel impulsionador é um acelerador circular de 468 m de circunferência que usa ímãs para dobrar feixes de prótons em uma trajetória circular. Os prótons provenientes do Linac percorrem o Booster cerca de 20.000 vezes em 33 milissegundos para que eles experimentem repetidamente campos elétricos. A cada revolução, os prótons captam mais energia, deixando o Booster com 8 GeV. O Injetor Principal é o próximo elo na cadeia do acelerador. Completado em 1999, tornou-se o "pátio de comutação de partículas" da Fermilab com três funções: acelera os prótons, fornece prótons para a produção de antiprotões e acelera os antiprotões provenientes da fonte de antiprotões. O acelerador final foi o Tevatron. Foi o segundo acelerador de partículas mais potente do mundo (o Grande Colisor de Hadron do CERN sendo o mais potente). Viajando quase à velocidade da luz, prótons e antiprotões circundam o Tevatron em direções opostas. Os físicos coordenam os feixes para que colidam nos centros de dois detectores de 5.000 toneladas DØ e CDF dentro do túnel de Tevatron com energias de 1,96 TeV, revelando as condições da matéria no universo primitivo e sua estrutura na menor escala. O Tevatron está sendo convertido em um museu.

O acelerador linear também tem uma instalação de tratamento médico. Os médicos tratam as pessoas com câncer atirando prótons ou nêutrons do acelerador em seus tumores.

Anéis aceleradores Fermilab's
Anéis aceleradores Fermilab's

Experimentos

  • Interferômetro Holométrico
  • Colisor Tevatron próton-antiproton: DØ e Detector de colisão no Fermilab
  • MiniBooNE: Experiência de Mini Booster Neutrino
  • Sciboone: Experiência SciBar Booster Neutrino
  • MINOS: Busca de Oscilação Neutrino do Injetor Principal
  • MINERνA: Main INjector ExpeRiment com νs em As
  • NOνA: NuMI Fora do eixo νe Aparência
  • MIPP: Produção de Partículas Injetoras Principais

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