费米实验室

美国能源部所属的费米国家实验室是个高水平研究机构，非常“阳春白雪”，但是它并没有瞧不起“下里巴人”，而是十分注意开展对实验室所在社区的科普。他们认为，科普的使命，一方面是传播科技知识，另一方面非常重要的是让老百姓了解实验室的存在价值，从而支持其工作。在费米实验室的网站上，有老百姓提出的很多问题和实验室的解答。由这些问答，可见实验室对于科普的态度有多么认真。比如，有人问：费米实验室对本地区的经济带来了什么？答：费米实验室的年度预算约3亿美元。在2002财政年度，我们花了8800万美元采购各类产品与服务，其中70%花在实验室所在的伊利诺伊州。特别是，实验室在DuPage县的花费高达1200万美元。截至2006年1月，实验室拥有1985名员工。另外，世界各地有2500名科学家参与我们的科学实验，其中很多人每年到费米实验室来工作，每次要呆几天、几个月甚至一整年，他们通常在实验室外面吃住。问：在某些安静的夜里，我和我的家人听到地下咚咚的振动声，这与你们加速器的运行是否有关系呢？答：我们的回答可能使您失望。费米实验室的加速器不会产生任何噪声和振动。事实上，振动会干扰加速器的运行。我们的设备极其灵敏，（2002年）11月3日远在阿拉斯加发生的一次地震引起的微弱振动信号，它都捕捉到了。之后，我们只好重启一次加速器。问：（2002）我们在费米实验室周围见到的鹅没有往年春天多了，为什么？答：最近几年，鹅的孵化成功率一直在下降。这种现象首先发生在离居民区较远的孵化场所，后来发生于靠近高层建筑的地方。确切的原因还不清楚，但下面两条理由可能沾边，实际情形则可能是这两个因素的综合结果。一是天气，孵化成功率的下降恰与寒春相吻合。气温低，鹅卵就不易孵化。第二，可能草原狼和（或）水貂袭击了鹅巢。最近几年，费米实验室这一带这两种野兽的数量显著增加。没有证据表明，孵化成功率下降是由于人类活动的干扰。如果人的干扰是原因，那么应该在靠近居民区的地方问题最严重，而事实刚好相反，孵化率最低的是远离居民区的孵化场。费米实验室是“国家环境研究园区”中的一个，我们正在开展鹅筑窝成功率的研究。由以上几个问答的例子可以看出，老百姓关心的东西五花八门，大大超出了高能物理学的范围。1979－1989年期间担任费米实验室主任的L. M.莱德曼（1922年生，1988年获得诺贝尔物理学奖，1989年从费米实验室退休）一向热衷科普，他给费米实验室留下了一个重视科普的好传统，费米实验室有一个专门的科普场馆“莱德曼科学中心”，每周向公众开放六天。2009年4月，该中心安排的活动包括以下节目：“虫子又回来啦！”，“将粒子加速到高能”，“6－8年级女生科学沙龙”，“4－5年级女生科学沙龙”（注：美国从小学到高中毕业分为1－12年级），“家庭户外活动节”，等等，内容十分丰富。费米实验室还组织面向中学生的高级科普活动，比如，2009年6－7月，将举办面向9－12年级中学生的暑期生物学、化学和物理学的培训班。我国的大学和科研院所，除了每年的“公众开放日”外，面向公众的科普宣传是很少的。费米实验室给我们树立了一个好榜样。

未来的不确定性让实验室难以留住尚在实验室的几千名访问科学家。实际上，Tevatron的两个主要探测器CDF和DZero的运作已经面临人手不足的困境。DZero的发言人Jerry Blazey说：“许多人都想走，或者已经走了，目前我们最重要的是坚持住。”现状让费米实验室越来越难以吸引从事线性对撞机模型研究的专家。在实验室的咖啡厅坐坐，你会发现情况好像会变得更严重。费米实验室正在尽最大努力营造良好的气氛。一种权宜之计是建一个能够让美国的研究人员可实时监测他们在欧洲高能物理研究中心的实验。负责计算机中心建造的Avi Yagil说：“我们将可以看见在欧洲实验室的科学家们看见的数据。”Oddone认为费米实验室有人才、知识和空间来建造下一代的加速器，但除非全力以赴，否则梦想不会成真。他说：“是的，这是一个巨大的风险，问题是我们寻找的答案也有巨大的意义。”

费米实验室（Fermilab），以著名的理论物理学家恩利克·费米（Enrico Fermi）的名字命名，建立于1967年，是美国最重要的物理学研究中心之一，位于美国伊利诺斯州巴达维亚附近的草原上。它官方上属于美国能源部，但也隶属于芝加哥大学（University of Chicago）和大学研究协会（URA），并由这两个机构负责其运作，其中URA由90所研究型大学组成，目前实验室有2000名雇员。费米实验室最为知名的是它的Tevatron质子/反质子加速器，是目前世界上能量输出第二高的粒子加速器，能将质子加速到接近光速，帮助科学家探索物质、空间和时间的奥秘。

美国能源部费米国家加速器实验室 （Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory），位于芝加哥以西的巴达维亚，创建于1967年，于1974年5月建成。它以著名的美国物理学家费米命名,拥有目前世界最大的质子加速器,是世界上从事高能物理研究的第一流实验室之一。 隶属于能源部，位于伊利诺伊州巴达维亚附近的草原上。从1983年开始，实验室的科学家们一直在用万亿电子伏特加速器创建亚原子粒子间的撞碰，他们希望这些神奇的碰撞轨迹有助于他们揭示出物质的基本构成，1995年，他们发现了一个基本粒子——顶夸克，他们最终的目标是发现希格斯玻色子。他们经历过一场危机。与欧洲粒子物理实验室的大型强子对撞机相比，费米实验室的万亿电子伏特加速器已经逊色，他们希望建造能量更大的机器，如国际直线加速器（ILC）。

高能物理研究的主要工具是加速器，特别是对撞机，让反向旋转的粒子束流在对撞机中对撞。在美国，最高能量的对撞机就是费米实验室的万亿电子伏特加速器Tevatron，在欧洲核子中心CERN的大型强子对撞机LHC建成之前，Tevatron是世界上最大的加速器。由于实验的性质，高能物理学家们要进行研究，必须与像费米实验室这样大的实验室进行合作。1、万亿电子伏特加速器TevatronTevatron是世界上最强大的质子反质子对撞机，它将质子和反质子束流沿着4英里的周长加速到光束的99.99999954%。这两个束流在位于束流管道两个不同位置的2个5000吨的探测器（CDF、D0）中心对撞，以研究宇宙早期的情形，探查物质在最小尺度的结构；束流还引入到固定靶产生中微子束流用来开展研究。Tevatron位于地面25英尺以下。在该加速器内，粒子束流穿过一个大部分由超导磁铁环绕的真空管道。各类磁铁的组合使束流按大的圆形弯转。Tevatron共有1000多块超导磁铁。超导磁铁比常规磁铁产生更强的磁场，工作在华氏－450度，磁铁内的电缆没有电阻，传导大量的电流。特大的磁力可将粒子加速到更高的能量。（1）加速器链Tevatron由多级加速器组成：750keV的预注入器、200MeV的直线加速器、8GeV的增强器和500GeV的主加速器。预注入器：预注入器也叫高压倍加器，是用来产生质子束流的低能强流加速器。质子从这里开始加速，把从离子源中引出的负氢离子加速到750keV。直线加速器：直线加速器是产生带负电的氢离子是产生质子和反质子束流的第一步。费米实验室的第一个直线加速器建于1971年，最初加速粒子高达200 MeV。1993年进行了升级，由9个加速节组成，长约500英尺，可将预注入器中产生的带负电的离子加速到400 MeV，或大约光束的70%。束流从直线加速器出来，经中能输运段进入增强器。增强器：位于地下约20英尺的增强器是一个环型加速器，进入增强器的离子要穿过碳箔，碳箔从氢离子中去掉电子，产生带正电子的质子。增强器利用磁铁使质子束流在圆形轨道中弯转，围绕增强器运行20000次。每一圈中它们都在高频腔中经历一个来自电场的加速力，这使得到加速周期结束时将质子的能量加速到8GeV，然后引出束流向主加速器注入。主注入器：主注入器1999年竣工，有以下功能：（1）将质子从8 GeV加速到150 GeV；（2）产生120 GeV质子，用于反质子的产生；（3）从反质子源接收反质子并把它们的能量提高到150 GeV；（4）将质子和反质子注入Tevatron。反质子源：为产生反质子，主注入器把120 GeV的质子送到反质子源，质子与镍靶对撞，产生范围很广的次级粒子，包括许多反质子。反质子被收集，聚焦后存在储存环内，并对它们进行累积和冷却。当产生足够数量的反质子后，它们被送到返航器再进行冷却和累积，然后注入Tevatron。Tevatron：接收从主注入器来的150 GeV的质子与反质子，并将其几乎加速到1000 GeV。质子与反质子按相反的方向在Tevatron里运转，速度每小时仅比光速慢200英里。质子与反质子束流在Tevatron隧道中的CDF和D0探测器的中心部分发生对撞，爆发式地产生新粒子。（2）探测装置固定靶：三条光束线将质子从主注入器传送到中微子靶。这个区域的束流也测试探测器，并进行不涉及中微子的固定靶实验。将各种材料的样品放入光束线中，研究各种类型的粒子和它们的相互作用。利用这些装置，物理学家们在1977年6月30日发现底夸克和2000年Donut实验探测到t中微子。CDF与D0探测器：CDF与D0探测器是物理学家们在Tevatron上用来观测质子和反质子之间对撞的两个探测器。探测器大如三层楼房，每个探测器都有许多探测分系统，这些分系统识别来自几乎在光速发生对撞所产生的不同类型的粒子。通过分析这些“碎片”，探究物质的结构、空间和时间。质子反质子在CDF和Do探测器中心每秒发生200多万次的对撞，产生大量的新粒子。对于有趣的事例，探测器记录每个粒子的飞行轨道、能量、动量和电荷。物理学家们倒班工作，一天24小时地监测探测器的运行情况。

1977年6月30日，宣布发现底夸克；1994年4月26日，宣布顶夸克的第一个直接证据；1995年3月3日，CDF和D0合作组的实验人员宣布发现顶夸克；1996年11月18日，观测到反氢原子；1999年3月1日，在中性K介子中观测到直接的CP破缺；2000年4月13日，斯隆数字化巡天在红移5.8观测到最遥远的物体；2000年7月20日，DONuT实验报告直接观测到t中微子的第一个证据，从而开启了物理研究的一个新时代；2001年11月7日，NuTeV合作组报告Sinqw异乎寻常的高值为0.2277；2005年7月9日，首次在再循环环中观测到电子冷却反质子；2006年1月12日，斯隆数字化巡天－II报告发现139个新型1a超新星；2006年9月25日，发现Bs 物质－反物质振荡: 3万亿次/秒；2006年10月23日，发现b重子（u-u-b和d-d-b）；2007年1月7日，CDF宣布通过单个实验对W波色子质量的最精确测量结果；2007年6月，发现b重子（d-s-b夸克组合）；2007年6月28日，SDSSII发表约2.87亿个天体包括197个类型的1a超新星的图象；2007年11月8日，Pierre Auger天文台观测到超高能不均匀分布；2008年3月30日，发现产生ZZ双波色子；2009年3月9日，发现产生单个顶夸克；2009年3月11日，D0实验室组宣布W波色子质量的最佳测量结果；2009年3月18日，发现新的夸克结构，命名为Y（4140）。