FERMILAB

Fermilab el laboratorio de investigación en altas energies más grande en los Estados Unidos y segundo en el mundo después del CERN, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas. Alrededor de 2,500 científicos usuarios, científicos de universidades y laboratorios en todos los Estados Unidos y del mundo, usan Fermilab para su investigación.

Introducción histórica

Fundado en 1967, Fermilab, originalmente nombrado National Accelerator Laboratory, fue comisionado por la Comisión de Energía Atómica de los E.E.U.U., con el concentimiento del presidente Lyndon B. Jonson en Noviembre 21, 1967. El director fundador Robert. R. Wilson comprometió al laboratorio a firmar principios de excelencia científica, belleza estética, administración de la tierra, responsabilidad fiscal, e igualdad de oportunidades. La Asociación de Investigación Universitaria construyeron el laboratorio, y ha operado bajo los mismos principios desde su fundación.
Fermilab se encuentra sobre un sitio de 2,630 hectáreas; fue originalmente un terreno de labrantío, en la villa de Weston. Algunas de las granjas originales todavía están en uso por el laboratorio, para propósitos desde almacén hasta eventos sociales.

1974,
El laboratorio fue renombrado en honor al Premio Nobel 1938 Enrico Fermi, uno de los más eminentes científicos de la era atómica.

1972
El primer haz de 200 GeV pasa a través del Anillo Principal (Main Ring), hacienda a Fermilab el acelerador de particulas de latas energies más grande del mundo.

1977
Se descubre el quark bottom.

1978
Leon Lederman fue elegido director.

1983
El primer haz de 512 GeV en el Duplicador de Energía (energy doubler), que pronto sería conocido como el Tevatrón. El Tevatrón, 4 millas en circunferencia fue originalmente llamado Energy Doubler cuando comenzó su operación en 1983. Se encuentra en un tunel 30 pies bajo tierra.

1984
El primer haz de 800 GeV en el Duplicador de Energía.

1985
Primera observación de colisiones proton-antiprotón por el detector CDF a 1.6 TeV de energía de centro de masa.

1986
Primer haz de 900 GeV en el Duplicador de Energía.

1993
Nuevo Linac de 400 MeV comisionado.

1994
Se anunció la primer evidencia directa del top quark.

1995

Tevatrón impone el record mundial en el número de colisiones entre partículas proton-antiprotón de altas energías. Sus 1,000 magnetos superconductoresIts son enfriados por helio líquido hasta -269 grados centígrados. Su sistema de enfriamento a bajas temperaturas fue el más grande jamás creado cuando se puso en operación en 1983. La Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos ha designado al sistema cryogénico del Tevatrón una marca histórica de la ingeniería mecánica internacional.

1995
Los científicos anunciaron el descubrimiento del Top Quark por los experimentos CFD y Do.

1997
El primer haz de 8 GeV a través de la línea de trayecto de transferencia entre el Booster (impulsor) y el Inyector Principal. Este fue el primer haz que pasó a través de una larga línea de trayecto usando tecnología de magnetos permanentes.
Fermilab ha agregado el acelerador injector principal de dos millas para incrementar el número de colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón, aumentando también las posibilidades de importantes descubrimientos en la Corrida II.
Se termina de instalar el Inyector Principal y el Reciclador de Antiprotones, así como se actualizan los detectores CDF y DZero.

1998
CDF anuncia el descubrimiento del Bc mesón.

1999
El experimento KTeV anuncia la primer observación directa de violación de CP en kaones neutrales.

2000
DONUT anuncia la primer observación directa del tau neutrino, la última particular fundamental del Model Estándar sin haber sido observada. El director fundador Robert R. Wilson muere a la edad de 85 años en Ithaca, Nueva York.

2001
Fermilab comienza la Corrida II del Tevatrón. Los detectores de colisiones del tamaño de un edificio de dos pisos, el CDF y DZero, han pasado por varios ajustes durante las preparaciones de casi una década de la segunda Corrida.

2002
MiniBoone comienza la búsqueda de oscilaciones de neutrino muónicos a neutrino de electrón.

2004
Los primeros pulsos de neutrinos fueron enviados desde Fermilab (cerca de Chicago), hasta el detector de 6,00 toneladas MINOS en Minnesota. MINOS observa oscilaciones de neutrinos y mide una cota en sus masas.

2005
Pier Oddone se convierte en el 5to director de Fermilab.

Logros

Fermilab produce su primer haz de alta enrgía el 1º de Marzo de 1972. Desde ese momento cientos de experimentos han usado los aceleradores de Fermilab para estudiar la material a escalas ínfimas. Esta es un resumen sobre los 10 logros más importantes hasta hoy.

Descubrimiento del quark top. En Marzo 2 de 1995, físicos en los experimentos del CDF y DZero en Fermilab, anunicaron el descubrimiento del quark top, el último quark no descubierto aún de los seis predichos por el Modelo Estándar. Científicos en todo el mundo habían buscado este tipo de quark desde el descubrimiento del quark bottom en Fermilab en 1977. Los físicos descubrieron el top, tan pesado como un átomo de oro pero mucho más pequeño que un prtón, usando rayos de partículas del Tevatrón, el acelerador de más alta energía del mundo.
Descubrimiento del quark bottom y subsecuentes estudios de sus propiedades. Físicos en la colaboración E288 en Fermilab, diriggidos por el Laureado Nobel Leon Lederman anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula llamada upsilon en Junio 30 de 1977. Los experimentales mostraron que la particular upsilon contenía un quark bottom y un quark anti-bottom: entonces, la tercer generación de querks era revelada.
Determinación de las masas del quark top y el boson W a muy alta precisión. Los físicos de partículas midieron las masas de las partículas para verificar la precisión y veracidad de sus modelos de partículas. Conociendo el valor de la masa del quark top a muy alta precisión ha permitido a los físicos comenzar la búsqueda del boson Higos y determinar su masa, un componente crucial del modelo de partículas, el Modelo Estándar.
Observación directa de la violación de CP en los decaimientos del kaon. En Febrero 24 de 1999, físicos en la colaboración del Kiev en Fermila anunciaron resultados estableciendo la existencia de violación directa de CP en el decaimiento de los kaones (partículas que contienen un quark tipo strange). La observación es un paso significativo en el entendimiento de la asimetría de la abundancia entre materia y antimateria en el universo (desde una edad muy temprano en la evolución del universo).
Mediciones precisas de los tiempos de vida de las partículas charm. El quark charm, el cuarto en el Modelo Estándar, es mucho más pesado que los primeros tres (up, down y strange). Estudiando los mecanismos de producción y decaimiento de las partículas charm, cuando son producidas en colisiones de proton-antiprotón demuestraron que son cruciales en el entendimiento de las fuerzas entre los quarks y como estos de combinan para componer a las partículas.
Primera evidencia del neutrino tau. En Julio 21 del 200, científicos en Fermilab anunciaron la primer evidencia directa del neutrino tau, la tercer especie de neutrino conocida por los físicos de partículas. Aunque experimentos anteriores habían producido evidencia indirecta convincente de la existencia de esta partícula, nadie había observado de manera directa la interacción del neutrino tau con la materia. Los neutrinos tau son partículas no masivas o casi no masivas que no portan eléctrica y casi no interactúan con la materia que los rodee, haciendo que observarlos sea extremadamente difícil. Con la observación del neutrino tau, tres de las cuatro partículas de la tercer generación del Modelo Estándar fueran descubiertos en Femilab: el quark bottom, el quark top y el neutrino tau.
Mapeando la estructura de los protons y neutrones usando rayos de neutrinos. Usando rayos de neutrinos ha provado ser un único y fructífero método para estudira la estructura de la material a las escalas más ínfimas posibles. Ya que los neutrinos no tienen carga eléctrica, pueden interaccionar con los quarks, las partículas components de los protons y neutrones, vía la interacción débil, complementando décadas de estudios basados en las interacciones electromagnéticas. Una larga serie de experimentos en Fermilab y otros laboratorios de altas enerías han mapeado cuidadosamente la composición de los protones, antiprotones y neutrones.
Mediciones de los momentos magnéticos de las partículas que contienen al quark strange. Hyperones, parientes subatómicos del proton, son como magnetos pequeños que viven menos de una billonésima de segundo. De 1975 a 1985, experimentos de precisión en Fermilab midieron sus fuerzas magnéticas y claramente mostraron que los hyperones están hechos de quarks, una contribución muy importante para formular la base teórica llamada Modelo Estándar.
Descubrimiento del quasar a una distancia de 27 mil millones de años luz. En Abil 13 del 100, científicos en el Sloan Digital Sky Survey anunciaron la observación del objeto más lejano nunca observado, un quasar a un corrimiento al rojo de 5.8, a una distancia de 27 mil millones de ano luz desde la Tierra. La colaboración SDSS podrá observar 10,000 grados cuadrados, o un cuarto de cielo, y 200 millones de objetos celestiales. Los científocs en Fermilab están involucrados en administrar y analizar este gran cúmulo de datos. Estos estudios astrofísicos complementan la búsqueda en Fermilab por entender la estructura y evolución del universo.
Cálculo de la constante de acoplamiento fuerte usando supercomputadoreas. Los quarks interactúan via la interacción fuerte. Muchas propiedades de esta fuerza de corto alcance son calculables solo con la ayuda de los cálculos numéricos a gran-escala de la teoría de norma de lattice. Usando supercomputadoras de alto poder, el grupo teórico especializado en teorías de norma de lattice en Femilab lograron la primer determinación precisa de la constante de acoplamiento fuerte, la intensidad cartacterística que describe la interacción fuerte. El cálculo presentó una de las primeras determinaciones precisas de lattice de cualquier parámetro fundamental del modelo estándar.

Experimentos

Aceleradores

Fermilab usa una serie de aceleradores para mandar partículas alrededor del Tevatrón a un 99.9999 por ciento de la velocidad de la luz en el vacío. Las patículas completan el curso de 4 millas casi 50,000 veces por segundo.
El primer paso en todo el proceso toma lugar en el que se conoce como el generador de Cockcroft-Walton. Este involucra tomar gas de Hidrógeno y convertirlo en iones de H- introduciéndolo en un contenedor alineado con celsio. Un campo magnético es aplicado por el generador de Cockcroft-Walton, y los iones son acelerados fuera del contenedor. El siguiente paso es el Acelerador Lineal (Linac), el cual acelera las partículas hasta 400 MeV o 70% la velocidad de la luz. Justo antes de entrar al siguiente acelerador, los iones de H- pasan a través de una hoja de carbón, convirtiéndose en iones H+, también conocidos como protones. El siguiente paso es el anillo impulsor. El anillo impulsor es un acelerador circular que usa magnetos para desviar los protones a un trayecto circular. Los protones que salen del Linac viajan a través del Impulsor (Booster) alrededor de 20,000 veces así que repetidamente están bajo la acción de campos eléctricos. Con cada revolución los protones adquieren mas energía, tal que cuando dejan el Impulsor (Booster) tienen una energía de 8 GeV. Después entran en el Inyector Principal. El Inyector Principal, completado en 1999, se ha convertido el multiswitch de parículas con tres funciones: acelera los protones, desvía a algunos para la producción de antiprotones y acelera los antiprotones que vienen de la Fuente de Antiprotones. El acelerador final es el Tevatrón. El Tevatrón de 4-millas de largo con sus magnetos super-conductores es el más poderoso del mundo (hasta el 2007 cuando el LHC com vence a operar, convirtiéndose en el más poderoso). Viajando casi a la velocidad de la luz, protones y antiprotones viajan a través del Tevatrón (en direcciones opuestas).

Experimentos de los aceleradores

Detectores
Para observar las minúsculas partículas, Fermilab instaló dos detectores de colisión frontal –CDF y D0- que son del tamaño de un edificio de 4 pisos, y pesan alrededor de 5,000 toneladas cada uno. Las colisiones entre partículas ocurren en el centro de los detectores (con energías de 2 TeV), los cuales están rodeados por instrumentación electrónica. Cada detector tiene alrededor de un millón de trayectos individuales para grabar los datos electrónicos generados por las colisiones. Las señales son transportadas sobre miles de cables –cada uno conectado a mano y probado individualmente.

Experimentos de colisión frontal

Dos experimentos en Fermilab están estudiando las propiedades de los neutrinos. La colaboración MiniBoone investiga estas partículas usando 800 toneladas de aceite mineral y 1,520 detectores de luz. El experimento MINOS usa un haz de neutrinos que se envía desde Fermilab a un detector a unos
Two Fermilab experiments are studying the properties of the neutrinos.
The MiniBooNE collaboration investigates neutrinos using 800 tons of mineral oil and 1,520 light detectors. Starting in December 2004, the brand-new MINOS experiment will use a neutrino beam sent from Fermilab to a detector 244 metros bajo tierra en Minnesota para estudiar las oscilaciones de los neutrinos.

Experimentos de blanco fijo

Charmonium (E760/E835) (Quark Flavour)
DONUT (E872) (Neutrino exp.)
FOCUS (E831) (Quark Flavour)
HyperCP (E871) (Quark Flavour)
KTeV (E799/E832) (Quark Flavour)
MINERvA (E938) (Neutrino exp.)
MiniBooNE (E898/E944) (Neutrino exp.)
MINOS (E875/E934) (Neutrino exp.)
MIPP (E907)
NOvA (E929) (Neutrino exp.)
NuSea (E866/E906)
NuTeV (E815) (Neutrino exp.)
SELEX (E781) (Quark Flavour)
E791 (Quark Flavour)
Sci BooNE (E954) (Neutrino exp.)

Otros campos de investigación
Los científicos en Fermilab también están interesados en resolver los misterios sobre la energía y materia oscura, los rayos cósmicos, y la naturaleza del universo a través de los centros Cryogenic Dark Matter Search, el Pierre Auger Observatory, y el Sloan Digital Sky Survey.

Experimentos y proyectos en Astrofísica

Teoría

Proyectos futuros