Фермилаб

Фермилаб (Fermi National Accelerator Laboratory, сокращённо Fermilab) — национальная лаборатория Министерства энергетики США, расположенная в Батавии, штат Иллинойс. Специализируется на исследованиях в области физики высоких энергий, физики элементарных частиц, ускорительной техники и астрофизики. Лаборатория названа в честь итальянско-американского физика Энрико Ферми. Является одним из крупнейших мировых центров по изучению фундаментальных свойств материи.

История

Основание и строительство

Идея создания национальной ускорительной лаборатории на Среднем Западе США возникла в начале 1960-х годов. В 1963 году Комиссия по атомной энергии США выбрала место вблизи Чикаго. Строительство началось в 1968 году, а официальное открытие состоялось в 1972 году. Первым директором лаборатории стал физик Роберт Уилсон, который настоял на том, чтобы здания имели эстетичный вид, а территория была открыта для публики.

Эра Теватрона

Главным инструментом лаборатории в 1983–2011 годах был протон-антипротонный коллайдер Теватрон (Tevatron). Он разгонял частицы до энергии 1 ТэВ (тераэлектронвольт) на пучок, что на момент запуска было рекордным показателем. На Теватроне были открыты:

• топ-кварк (1995 год);
• тау-нейтрино (2000 год, совместно с другими экспериментами);
• получены одни из наиболее точных измерений массы W-бозона и топ-кварка.

После остановки Теватрона в 2011 году лаборатория переориентировалась на участие в экспериментах на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) и развитие собственных проектов, не требующих коллайдера.

Современный этап

В 2010-е годы Фермилаб стал головной организацией для эксперимента Muon g-2, направленного на измерение аномального магнитного момента мюона. В 2021 году коллаборация объявила о значительном расхождении результатов с предсказаниями Стандартной модели, что может указывать на новую физику. Также ведётся эксперимент DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) — масштабный проект по изучению нейтрино, в котором пучок частиц создаётся в Фермилабе и направляется на детектор в подземной лаборатории в Южной Дакоте (США).

Инфраструктура и основные установки

Ускорительный комплекс

Основу комплекса составляет цепочка ускорителей, последовательно увеличивающих энергию частиц:

• Линейный ускоритель (Linac) — разгоняет ионы водорода (протоны) до энергии 400 МэВ.
• Бустер (Booster) — кольцевой ускоритель, повышающий энергию до 8 ГэВ.
• Главный инжектор (Main Injector) — кольцо диаметром около 2 км, способное разгонять протоны до 120 ГэВ. Используется для создания пучков нейтрино и для экспериментов с фиксированной мишенью.
• Рекуператор (Recycler) — кольцо, в котором накапливаются и охлаждаются антипротоны (в прошлом — для Теватрона).

Нейтринные эксперименты

Фермилаб является мировым лидером в области нейтринной физики. На его территории создаётся мощный пучок нейтрино, который направляется на детекторы, расположенные на расстоянии от нескольких сотен метров до 1300 км:

• NuMI (Neutrinos at the Main Injector) — основной источник мюонных нейтрино.
• NOvA — эксперимент с детектором в Миннесоте (810 км от источника).
• DUNE — будущий эксперимент с детектором в бывшей шахте Хоумстейк в Южной Дакоте (1300 км). Планируется запустить в середине 2020-х годов.

Эксперименты по физике частиц

• Muon g-2 — кольцевой магнитный накопитель для измерения магнитного момента мюона с рекордной точностью.
• Mu2e — эксперимент по поиску превращения мюона в электрон без испускания нейтрино (запрещённый процесс в Стандартной модели).
• DarkSide — эксперимент по поиску частиц тёмной материи с использованием жидкого аргона.

Научные достижения

Открытие топ-кварка

В 1995 году коллаборации CDF и DZero, работавшие на Теватроне, независимо объявили об открытии топ-кварка — самой тяжёлой из известных элементарных частиц. Его масса оказалась близка к массе атома золота, что стало неожиданностью для теоретиков. Открытие подтвердило существование всех шести кварков, предсказанных Стандартной моделью.

Измерение аномального магнитного момента мюона

Эксперимент Muon g-2, начатый в Брукхейвенской национальной лаборатории и продолженный в Фермилабе, в 2021 году опубликовал результат, который отличается от теоретического предсказания на 4,2 стандартных отклонения. Это расхождение может свидетельствовать о существовании новых частиц или сил, не описанных в Стандартной модели.

Открытие тау-нейтрино

В 2000 году коллаборация DONUT (Direct Observation of the Nu Tau) в Фермилабе впервые зарегистрировала взаимодействие тау-нейтрино. Это был третий тип нейтрино, предсказанный теорией, и его прямое наблюдение завершило экспериментальную проверку лептонной триады.

Организационная структура и финансирование

Фермилаб управляется Fermi Research Alliance — консорциумом, в который входят Чикагский университет и Ассоциация университетов по исследованию физики элементарных частиц (URA). Основное финансирование поступает от Министерства энергетики США (Office of Science). Бюджет лаборатории на 2023 год составлял около 600 миллионов долларов. Штат насчитывает примерно 2 000 постоянных сотрудников, а также около 2 000 учёных со всего мира, участвующих в экспериментах.

Культурное и образовательное значение

Лаборатория известна своей открытостью для публики. На территории расположен Центр науки имени Леона Ледермана (Lederman Science Center), где проводятся экскурсии и образовательные программы для школьников и студентов. Ежегодно Фермилаб посещают десятки тысяч человек. На территории находится скульптурная композиция «Геометрическая абстракция» и восстановленная прерия, где обитают бизоны — стадо было завезено в 1969 году по инициативе Роберта Уилсона.

Критика и проблемы

В разное время деятельность Фермилаба подвергалась критике по нескольким направлениям:

• Экономическая эффективность. Строительство и эксплуатация крупных ускорителей требуют значительных бюджетных средств. В 1990-е годы проект Сверхпроводящего суперколлайдера (SSC), который мог бы превзойти Теватрон, был закрыт Конгрессом США из-за роста затрат, что привело к перераспределению ресурсов в пользу Фермилаба.
• Экологические аспекты. Строительство новых объектов, таких как нейтринный пучок для DUNE, вызывает обеспокоенность местных жителей и экологов из-за возможного воздействия на подземные воды и ландшафт. Лаборатория проводит регулярные мониторинги и публикует отчёты о безопасности.
• Научная конкуренция. После запуска Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе Теватрон утратил статус самого мощного коллайдера в мире. Некоторые учёные высказывали мнение, что США недостаточно инвестируют в собственную ускорительную базу, полагаясь на европейские установки.

Источники

• Fermi National Accelerator Laboratory. Fermilab at a Glance. — U.S. Department of Energy, 2023.
• The Tevatron: A Legacy of Discovery. — Fermilab History and Archives Project, 2011.
• Muon g-2 Collaboration. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. — Physical Review Letters, 2021.
• DUNE Collaboration. Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Technical Design Report. — Fermilab, 2020.
• История физики высоких энергий в США. — Сборник статей под ред. Л. Ходдесона, 2018.