Fermilab

Histoire

Entre la Seconde Guerre mondiale et les années 1960, le gouvernement fédéral a financé différents accélérateurs de particules dans des universités concurrentes pour construire des expériences de physique des hautes énergies. Les plus remarquables sont l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), qui envoyait les particules en ligne droite, le laboratoire national de Brookhaven à SUNY Stoney Brook et le synchrotron de l'université Cornell, qui envoyait les particules en cercle pour que les mêmes aimants travaillent plusieurs fois sur les particules. Dans les années 1960, le coût de construction de plus gros atomiseurs était trop élevé pour financer chaque campus individuellement, et la taille de l'anneau de l'accélérateur circulaire suivant serait trop grande pour être installée sur un campus universitaire existant. Le gouvernement fédéral a donc décidé de créer un nouveau site qui serait géré par des physiciens de plusieurs universités. Ils ont organisé un concours pour choisir un site, mais les politiciens se sont battus pour qu'il se trouve en Illinois.

Weston, dans l'Illinois, était une communauté voisine de Batavia. C'était un lotissement de maisons préfabriquées commencé au début des années 1960. Les ventes étant très lentes, les promoteurs immobiliers ont essayé d'attirer Fermilab comme nouvel employeur en bordure de la nouvelle ville. Cependant, il s'est avéré que la quantité de terrain nécessaire allait engloutir toute la ville. La ville a donc décidé de vendre tout le terrain, y compris les maisons qui avaient été construites, à Fermilab. La ville s'est alors dissoute.

Le laboratoire a été fondé en 1967 sous le nom de National Accelerator Laboratory ; il a été rebaptisé en l'honneur d'Enrico Fermi en 1974. Le premier directeur du laboratoire a été Robert Rathbun Wilson. Wilson a réalisé de nombreuses sculptures sur le campus. On lui attribue la responsabilité de l'avoir achevé à l'avance et en dessous du budget. Le bâtiment de laboratoire de grande hauteur sur le site, dont la forme unique est devenue le symbole du Fermilab, est nommé en son honneur et constitue le centre d'activité du campus.

Avant que les nouveaux bâtiments ne puissent être terminés, les scientifiques ont emménagé dans les maisons de Weston et ont également déplacé toutes les maisons de ferme du Fermilab à cet endroit pour les utiliser comme bureaux. Ils ont rebaptisé Weston, "Fermilab Village". Il abrite toujours des scientifiques en visite.

Wilson a fait appel à l'équipe qui avait construit le synchrotron Cornell pour aider à la construction de l'accélérateur original de 200 GeV. Deux inventions importantes ont rendu cet accélérateur obsolète : des aimants supraconducteurs et l'utilisation du même anneau d'acclerator pour envoyer deux groupes de particules dans des directions opposées afin que, lors de la collision, elles aient deux fois plus d'énergie.

Après le départ de Wilson en 1978 pour protester contre le manque de financement du laboratoire, Leon M. Lederman a pris la relève. C'est sous sa direction que l'accélérateur original a été remplacé par l'accélérateur Tevatron. Le nouvel accélérateur était capable de faire entrer en collision un proton et un antiproton à une énergie combinée de 1,96 TeV. Lederman s'est retiré en 1988 et reste directeur émérite. Le centre d'enseignement scientifique sur place (qui dessert les étudiants et le grand public) a été nommé en son honneur.

De 1988 à 1998, le laboratoire était dirigé par John Peoples. De cette époque jusqu'au 30 juin 2005, le laboratoire était dirigé par Michael S. Witherell. Le 19 novembre 2004, Piermaria Oddone, anciennement du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, a été annoncé comme le nouveau directeur du Fermilab. Oddone a commencé son mandat de directeur le 1er juillet 2005.

Le Fermilab continue de participer aux travaux du LHC, notamment en servant de site de niveau 1 dans la Grille de calcul mondiale du LHC. L'État de l'Illinois finance un nouveau bâtiment de l'Illinois Accelerator Research Center au Fermilab pour les scientifiques et les partenaires industriels.

Robert Rathbun Wilson Hall

Accélérateurs

La première étape du processus d'accélération a lieu dans le générateur Cockcroft-Walton. Elle consiste à prendre de l'hydrogène gazeux et à le transformer en ions H- en l'introduisant dans un récipient garni d'électrodes en molybdène : une cathode de la taille d'une boîte d'allumettes, de forme ovale, et une anode qui l'entoure, séparées de 1 mm et maintenues en place par des isolateurs en vitrocéramique. Un magnétron est utilisé pour générer un plasma afin de former de l'H- près de la surface du métal. Un champ électrostatique de 750 keV est appliqué par le générateur Cockcroft-Walton, et les ions sont accélérés hors du conteneur. L'étape suivante est l'accélérateur linéaire (ou linac), qui accélère les particules à 400 MeV, soit environ 70 % de la vitesse de la lumière. Juste avant d'entrer dans l'accélérateur suivant, les ions H- passent à travers une feuille de carbone, devenant ainsi des ions H+ (protons).

L'étape suivante est l'anneau de rappel. L'anneau d'accélération est un accélérateur circulaire de 468 m de circonférence qui utilise des aimants pour courber des faisceaux de protons sur une trajectoire circulaire. Les protons provenant du Linac font le tour du Booster environ 20 000 fois en 33 millisecondes, de sorte qu'ils subissent des champs électriques de manière répétée. À chaque révolution, les protons captent plus d'énergie, laissant le Booster avec 8 GeV. L'injecteur principal est le maillon suivant de la chaîne de l'accélérateur. Achevé en 1999, il est devenu le "poste de commande des particules" du Fermilab, avec trois fonctions : il accélère les protons, il fournit des protons pour la production d'antiprotons et il accélère les antiprotons provenant de la source d'antiprotons. Le dernier accélérateur était le Tevatron. Il était le deuxième plus puissant accélérateur de particules au monde (le Grand collisionneur de hadrons du CERN étant le plus puissant). Se déplaçant presque à la vitesse de la lumière, les protons et les antiprotons font le tour du Tevatron dans des directions opposées. Les physiciens coordonnent les faisceaux pour qu'ils entrent en collision au centre de deux détecteurs de 5 000 tonnes DØ et CDF à l'intérieur du tunnel du Tevatron à des énergies de 1,96 TeV, révélant ainsi les conditions de la matière dans l'univers primitif et sa structure à la plus petite échelle. Le Tevatron est en train d'être transformé en musée.

L'accélérateur linéaire dispose également d'une installation de traitement médical. Les médecins traitent les personnes atteintes de cancer en injectant des protons ou des neutrons de l'accélérateur dans leurs tumeurs.

Les anneaux d'accélération du Fermilab

Expériences

• Holomètre interféromètre
• Tevatron, collisionneur proton-antiproton : Détecteur de DØ et de collisionneur au Fermilab
• MiniBooNE : Expérience sur les neutrinos de mini-booteur
• Sciboone : l'expérience SciBar Booster Neutrino
• MINOS : Recherche d'oscillations neutroniques dans l'injecteur principal
• MINERνA : ExpeRiment de l'INJECTEUR PRINCIPAL avec νs sur As
• NOνA : NuMI Off-axis _νe Apparition
• MIPP : Production de particules par injecteur principal