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政策和资金

Fermilab...’s next frontier

01 Feb 2012 玛格丽特哈里斯

利用其Tevatron粒子加速器现在关闭了,费米国家加速器实验室正在将重点从高能物理学转移到所谓的强度边界的实验。 玛格丽特哈里斯 访问实验室以了解有关其未来计划的更多信息

Fermilab...'s Wilson Hall
高飞

当我在铁路轨道上撞到铁路轨道并在蓝色拱门下驾驶,标志着Fermilab的入口,美国粒子物理中心’S标志性的威尔逊大厅闪闪发光,就像远处的大理石。进一步驾驶 - 通过白色农舍的群,美国野牛的小群,以及那个实验室之家的巨大橙色和蓝色仓库’S两个高能物理实验 - 以及16层楼的结构似乎从平坦的伊利诺伊州景观中升起,如混凝土大教堂。但是,关闭,略微不完美开始出现。这里有点脚手架。那里被封闭的入口。然后,从玻璃庭中洒出来,听到钻孔的低声。

威尔逊大厅就像Fermilab本身就在2011年末访问的时候正在进行装修。但是,虽然大厅的变化是化妆品,但实验室的变化可能是其45年历史上最深刻的。 2011年9月30日Fermilab’S旗舰粒子加速器,Tevatron,碰撞了最后一个质子和反滴答。关机标志着经验丰富机器的28岁的发现结束,包括顶部夸克(1995年发现)和Tau Neutrino(2000)。这也是一个安静的致谢,对于可预见的未来,美国已经削减了它的地方“energy frontier”物理到欧洲,核心’S的大型强子撞机(LHC)在寻找Higgs Boson的搜索中繁忙。

然而,Tevatron的末端没有意味着Fermilab的末尾。“我们在现场有10个加速器,”Fermilab物理学家史蒂夫福尔摩斯说,具有最令人兴奋的刺激。“我们把其中一个人搞砸了,好吗?”就像我谈过的几个科学家一样,福尔摩斯热衷于指出,碰撞颗粒的碰撞高能束不是发现与加速器新物理学的唯一途径。 Fermilab计划追求的另一种选择是在较低的能量下寻找粒子之间的罕见相互作用。在这种类型的实验中,关键参数不是光束’S能量但其强度:每秒生产的粒子数。

强度彩票

要理解为什么强度重要,考虑中微子。这些神秘的几乎无大量的实体都很害羞地害羞地与其他颗粒相互作用,所以越野的实验可以通过例如将超强强烈的质子束撞成石墨靶的水,所以它的机会越好。如果衰减的数量足够高,则也可以检测到甚至比中粒相互作用的其他过程甚至比中子相互作用更加罕见。

Bob Tschirhart,一位工作的费尔米尔科学家“intensity frontier”20年来的实验将罕见衰减与彩票进行比较。“当你玩彩票时,每个人都知道你的获胜机会如果你买更多门票,” he explains. “强度边界的整个点是具有大量衰变的样本,从而在这个非常罕见的现象中购买了更多的票据。 ”

 

 Brendan Casey.

对于Fermilab而言,强调高能量对高强度物理的转变并不像计算的赌注那么多彩票。对于科学静态或堕落的资金,以及LHC为下一个十年和超越的高能量研究,该实验室正在重新关注承诺有趣结果的项目的努力,需要较小的科学家团队,并利用现有的专业知识在中微子研究和加速器设计中。福尔摩斯指出,这些新项目也不太可能被国际竞争对手差断,因为其他群体正在追求这种研究。“这是美国在这个非常重要的物理领域建立领导地位的机会,这将持续几十年,” he says. “如果我们做对,我们’我只是吹走了比赛。”

乐观主义比比皆是,我遇到的所有研究人员都表达了对未来的兴奋(见“Voices from Fermilab”和音频剪辑)。甚至那些仍在踏上工作的人’S两个探测器实验,CDF和Dzero,似乎热衷于对HIGGS搜索和其他目标进行最后一次分析,尽管他们也哀悼了旧的主车主’退休金。然而,有一些潜在的危险,一个大型组织更加容易改变课程。 Fermilab.’派尔·古代,自2005年以来一直领导实验室的董事,承认他仍然为实验室造成案例’在更广泛的物理界内的新重点。筹资情况也不清楚,有几个计划强度前沿实验仍在等待美国国会或能源部批准预算。很多时间,努力和规划已经进入费米尔’S转向强度边界,但对此赌注的赔率不完全在实验室下’控制。对于在那里工作的物理学家来说,这些是不确定的也是令人兴奋的时期。

中微子在敏捷

Fermilab...’立即的未来是不想到的,几乎被大量的和 - 从我的Vantage Point 100 M地下,在Minerva探测器前面 - 目前在(可能)以少于光速的情况下汲取我的身体。 Minerva坐在当实验室的质子时产生的中微子束的路径中’S主喷射器加速器与石墨目标碰撞。每增加几万亿个中微子爆发每2.2秒都通过它。然而,尽管它的位置,但Minerva是中微子物理学中的一点无名英雄。“Minerva的目标真的了解Neutrinos的方式与许多不同的核相互作用,”Minerva Co-Spokesperson Debbie Harris在房间尺寸的探测器周围向我展示了。为了实现这一目标,Minerva科学家已经堆积了厚实“slices”五种不同的材料 - 碳,铁,铅,水和氦气 - 在液体闪烁体的罐前面和敏感的CCD相机。当一个中性的与这些材料中的一种相互作用时,得到的散射颗粒在闪烁体中产生闪烁的闪烁,相机记录。哈里斯说,来自这些散射事件的数据对于许多其他中微子实验很重要,因为Minerva探测器中的材料通常是其他实验使用的材料。“我们帮助他们更好地了解他们的数据,” she says proudly.

一个丰富的实验从Minerva受益 ’S结果是MINOS,其坐落在其中的下游,在NUMI(主喷射器处的中微子)光束中。其位置反映了学习中微子的一个美女之一:因为颗粒很少相互作用,所以可以在相同的光束中堆叠多个探测器是完全可能的。事实上,MINOS有两个探测器:在MERMILAB的近探测器和明尼苏达州苏丹矿的远处探测器,约735千米。这种分离允许迷你科学家研究中微子如何变化,或者“oscillate”在他们的不同之间“flavours” - 电子,μ子和tau - 当他们穿过地球时。在近探测器处,Numi光束中的几乎所有中微子都是Muon Neutrinos。但是当他们到达远定探测器的时间后2.5毫秒后,这些μ子中微子的微小部分将振荡成电子中微子。迷你的目的’S配对探测器是在这种转化的行动中捕获中微子。

从MuON到电子中微子的转化与称为θ的参数相关联13,三个中的一个“mixing angles”在描述中微子行为的矩阵中。虽然另外两个混合角是已知的,但是θ13 不是,并测量它是Fermilab的主要近期目标’S强度边缘程序。 MINOS和竞争对手如日本T2K等竞争对手的结果,法国双氯地面表明,相关数量,罪恶的价值213,大于零。但是,MINOS实验正在接近其灵敏度的极限,因此它可能无法识别θ13 更重要的是。 Gina Rameika是一位曾在几个实验室工作过的Fermilab物理学家’S Neutrino实验,将这一点归因于MINOS在20世纪90年代中期设计时缺乏关于中微子的知识。“科学徘徊,” she says. “你走了一条路径,因为这似乎显而易见的是。然后你学到一些东西,你最终朝下了一个不同的路径。你不’真的知道你是什么’再次发现,直到你做实验。”

 安德鲁诺曼

通过这一原则,Fermilab正在建立第二个长途中微子实验的过程中,该实验将拿起MINOS离开的地方。新的实验称为Nova,将在Fermilab和14千多的探测器附近纳入200吨的探测器,在明尼苏达州的灰河810公里之外。额外的距离将使Nova比Minos更敏感到MuOn-to-Electron-Neicrino振荡,因此决定将远距离检测器略微偏离中微粒梁。’S轴,以预期振荡峰值的角度。

在我的访问期间,Fermilab物理学家和技术人员将整理触摸融为Nova’探测器附近的原型。 2011年12月下旬,他们在明尼苏达州的同事开始组装“block pivoter”将帮助它们拼接到远探测器的设备。预计2014年的整个200万美元的实验预计将于2014年完成,次年内的第一个成果。

然而,Nova不是Fermilab工作中唯一的新中微子实验。甚至更大的项目,被称为长基线中微子实验(LBNE),承诺做出多大的Nova可以做的事情,只有更好,而且还回答了一些物理问题,即新的犹太人只是暗示。由于LBNE项目经理Jim海峡解释说,了解罪的价值213 真的只是开始。如果作为当前数据建议,它不是零,物理学家将能够使用LBNE寻找中微子和Anteintrinos的振荡率的差异。这种差异将违反颗粒物理学的标准模型,其含有粒子和抗颗粒之间的基本对称性,称为CP“charge–parity”)对称性。发现物理学超出标准模型将足够令人兴奋,但如果在Neutrinos中观察到CP违规,则建议这些微小的几乎无抽肉颗粒可以在早期宇宙中倾向于物质与反物质之间的平衡 - 从而产生了问题所在地我们今天看到的宇宙。

 帕特里克福克斯

LBNE的当前计划呼吁在Fermilab建造的新型探测器,距离南达科他州有1300千米的探测器’众多的矿物。这些探测器的成本估计为400-500米,具体取决于其设计,LBNE项目科学家Rameika表示,建设可能会早在2014年。如果发生这种情况,整个项目可能会升起并运行2020年,正如Nova正在蜿蜒下来。

更多的力量,更多的科学

LBNE.’然而,S时间线取决于金钱。资金是美国粒子物理学家常见的顾虑,感谢大会’硕的预算过程,每年分配一年的资金。这可能会对LBNE等项目构成问题 - 以及确实费米’S的整个强度 - 前沿程序 - 需要几年时间才能完成。当我与古怪的代表交谈时,为LBNE和另外两项新实验的资金已经举办了16个月,因为国会推迟了批准2011财年预算。虽然这种延迟并不少见 - 说预算从未按时完成“会夸张”,古代代斯通说 - 华盛顿经济衰退和政治枢纽使情况比平常更严重。“一年半前我们正在谈论物理科学的预算加倍,” Oddone says. “今天,人们告诉你你’如果您在上一年获得相同的金额,请幸运。倍增已经走了。”

代曲观察这是“problematic”对于过渡的实验室。然而,历史上,资金问题通常意味着项目延迟,未被取消。例如,新星在国会分配金融吊灯之前,在金融居民将其分配资金继续下去。所以LBNE似乎可能成为现实,但也许不如Fermilab那么快’S Neutrino物理学家希望。

对于甚至更大的Fermilab实验,前景是Fuzzier,因为项目X.这个价值1-2亿美元的线性加速器复合物是实验室的真正游戏变频器’S强度 - 前沿程序,加强LBNE,同时还将强烈的质子束带到几个其他实验。其中一个将尝试测量中子和重核的电偶极力矩;非零值将违反CP对称性。其他人将寻找少数少年和卡恩斯的罕见过程的证据,例如长期中性ko的衰变进入中性π,中微子和antiNeutrino。标准模型预测,这应该只在每10时发生一次10 Kaon Decays,因此在大量衰变上录制数据将为物理学家提供一种测试理论的新方法。 μ子对电子的中性抑制转化甚至罕见,每10个都发生一次17 最多衰变。理论主义者认为该过程将由粒子介导,如此巨大,即使LHC等高能量加速器也可能永远不会直接观察。因此,寻找这些Muon衰减是研究高能量物理学的环形交叉路口,他是帮助研究人员为项目X开发提案。

项目X的设计呼吁两个新的线性加速器或LINACS,建在现行的Tevatron环中间,其具有6.3公里的圆周(图1)。第一个Linac将加速来自休息的质子,最多3个GEV,并将95%的人送回稀有腐烂和重质核实验。剩下的5%的质子将进入第二个Linac,这将使它们的能量提升到将质子装入现有的主要注射器加速器所需的8个GEV。一旦进入环,质子将加速到120 gef并猛击到目标中,从而产生中微子的强烈淋浴,将使现有的numi波束似乎是涓流的。

项目X的设计阶段预计将持续到2015年,其项目经理霍尔姆斯表示,施工可以在近年开始“如果必要的资金到位”。 Tschirhart对机会进行了乐观。资助机构目前正在支持项目X’S的发展,他注意到,政策制定者了解美国粒子物理研究的未来是多么重要。

研究项目X的三个受益者的科学家’S强质子梁 - 中微子,稀有衰变和重核的实验,即使项目X被延迟,也会继续他们的工作,并且最初将使用Fermilab’S当前的光束线。但是,项目X的损失将是他们研究的主要挫折。“从我的角度来看,没有项目X的LBNE不是我期待的东西,”Rameika说。她解释说,项目X会向LBNE发送2.3米MW的质子’S目标 - 即使在该梁之后,也有三倍以上的强大强大’迫在眉睫的升级从400到700 kW。没有项目X.’她说,额外的冲床,“我们可以在实际上运行30年来进行显着测量。科学比这更快地移动”.

Rameika注意到,如果项目X被延迟或取消,并且LBNE物理学家决定不能等待30年才能积累足够的数据,他们可以考虑构建更大的探测器。这将通过给予更少的Neutrinos击中目标来基本上弥补较低的强度。但是,更大的探测器也会更昂贵,而且“也许我可以负担100千克尼斯,但我买不起300,”rameika耸耸肩。她补充说,在LBNE上保持成本,为其他实验提供了机会,因为粒子物理学的整体资金可能保持不变。

回到边境

除了保护项目X的资金外,费米也必须克服一些技术挑战来建立它。在这里,我谈到的科学家们似乎在Surer Ground上,相信他们可以开发他们需要建立这种强烈质子源的工具和专业知识。

他们信心的一个原因是伊利诺伊州加速研究中心(IARC),这是一个新的7100万美元的设施,目前正在建立,以支持粒子加速器技术的研究,开发和工业化。由于其项目经理Bob Kephart解释,IARC将有助于弥合在商业上具有促进者并将该想法施加到实践之间的一个好主意之间的差距。工业研究专家通常指的是这个差距“valley of death”因为这么多想法陷入其中,而且从未进一步进展。

例如,Kephart引用了加速器可以从废水处理厂照射污泥的建议,使其安全使用作为肥料。“You might say, ‘哇,这是个好主意’,但人们在20世纪70年代考虑了它,” he says. “问题是您的普通城市废物处理厂中没有大量的加速器专家。您需要一个标签的产品。实际上,它更好地只有开关。”

 Lauren Hsu.

当我访问Fermilab时,建筑工人与地球移动机器正在建立IARC’S停车场,实验室后来为2011年12月16日为中心本身举行了一个开创性的仪式。IARC正在建立在伊利诺伊州州政府的支持下,为3900米提供20米2 主楼,而能源部则筹码1300万美元才能转换部分CDF’S $ 38M探测器大厅进入专门的重型装配设施。在2013年底或2014年初期完成时,IARC将提供200个高新技术职位,突破性仪式上的发言人宣传其使芝加哥成为芝加哥的潜力’s western suburbs a “world leader”在加速器开发中。

这种企业进入应用和工业科学代表了Fermilab的新方向。“多年来,我们的员工已经接受过如何将美元交给研究,” says Kephart. “我们现在需要的[对于IARC]是人们可以将研究变成美元的人。”但是,他和福尔摩斯都是项目X,强调IARC也将使实验室受益’S粒子物理计划。预计中心将成为超导射频(SRF)加速器组件的试验台,这将形成项目X的心脏’s两个linacs。此外,与私营部门公司开发SRF技术的合作,应有助于降低成本,福尔摩斯表示,项目X更有可能获得国会批准。

项目X等新的旗舰实验将是伊利诺伊州大草原上这个大实验室的重要发展,其骄傲的几个前沿的科学传统(见“The cosmic frontier”)。但是这里的许多人都在寻找进一步进入未来,并梦想着大。除了他们的科学任务外,福尔摩斯说,项目X和IARC将有助于保持美国加速器 - 科学部门活着和健康。此类投资可以为费米巴享受,或者IF - 国际粒子物理界会为下一代设施选择一个地址,例如CERN’S LHC,MuOn Coller intor或Neutrino工厂。对于费米,能源前沿可能已经消失,但肯定不会忘记。

来自Fermilab的声音

Brendan Casey.
Fermilab... physicist and collaborator on DZero and the muon g-2 experiment
现在令人兴奋的是我’m设计一个新的探测器,我’从来没有有机会这样做。有时我必须强迫自己退后一步,并因为它而分析Tevatron数据’S如此令人兴奋,从头开始设计一个新的探测器。

帕特里克福克斯
Fermilab... theorist
转换到强度 - 前沿实验使我的工作变得更有趣。它曾经是,如果我知道电磁热计是如何工作的,我可以与CDF或Dzero的某人交谈,至少有一个关于他们如何进行分析的午餐时间。现在我必须了解中微子探测器的工作原理,如何如何运作,如何运作固定目标机器 - 所有这些东西。

Lauren Hsu.
Postdoc,低温暗物质搜索
作为物理学家,我觉得你面临着许多挑战,从爬行地爬到地上寻找aren的电缆’正确地搞砸了在会议上争论细节的会议上花费很多时间。那里’只是一个你必须做的巨大的东西,我认为这一点’是什么让我们的工作有趣。我们必须穿多个帽子。

安德鲁诺曼
Fermilab... physicist and NOvA computing specialist
计算是一种工具,可让您访问物理学。我喜欢算法的数学,我喜欢计算的挑战,我喜欢我们的物理’在做。他们都只是自然地领衔,给出了今天科学的统一画面。

宇宙边疆

高能量和高强度物理不是Fermilab的唯一受试者。该实验室还支持上所谓的宇宙前沿的研究计划,参与研究宇宙射线,暗物质和暗能量的实验。

DES.
一个这样的项目是黑暗能量调查(DES)。这位继任者的斯隆数字天空调查,其中费米尔发挥了重要作用,将在智利使用4米的布兰科望远镜’otolo oterolo观测台生产最大的宇宙3D地图。在美国,欧洲和南美洲的实验室和25个机构工作的科学家建立了新的CCD相机和36岁的望远镜的其他升级。调查将需要10年时间“first light” this April.

CDMS.

低温暗物质搜索(CDMS)协作的成员使用一套低温锗和硅探测器来寻找弱相互作用的巨大颗粒(WIMPS)的证据。发现这种颗粒将是我们对暗物质的理解的主要进步 - 占宇宙约80%的神秘物质’S总值 - 也是超对称理论的支持者的福音,预测WIMPS应该存在。 Fermilab是参与实验的大约20个机构之一,它位于明尼苏达州的800米地下’S德丹矿。需要这种极端深度来减少探测器和宇宙射线之间的相互作用。 2011年12月,Soudan的科学家开始安装升级到将改善实验的现有探测器’敏感度高达七倍。

c
用于地下颗粒物理学(Coupp)的芝加哥兰州天文台正在探索WIMP检测的替代方法,以恢复粒子物理学中最古老的技术之一:泡沫室。 c’S更新的泡泡室由含有过热液体CF的石英罐组成3我,这个想法是通过液体的暗物质颗粒会使它沸腾,形成实验者可以检测的特定种类的气泡。由于实验开始于2003年,研究Coupp的物理学家建造了一系列更大的泡沫室,以测试该技术并确定其对暗物质的敏感性。目前的60公斤化身,Coupp’S检测器位于Fermilab,坐落在Minerva和Minos Neutrino实验旁边的Numi隧道中。 5月,一个新的更大版本将在加拿大的Snolab上安装。

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