费米实验室

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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。
实验室成立于1967年,原名为“国家加速器实验室”,主要研究领域为高能物理学、粒子物理学。第一任所 长是罗伯特·R·威尔逊(Robert R.Wilson)。实验室的原则是杰出的科学、艺术的瑰丽、土地的守护神、经费 上精打细算和机会均等。1974年为纪念美国物理学家恩里科·费米而更名为“费米国家加速器实验室”。
社会影响
社会影响
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。
CP破缺可以用不同的方法来证明。在1964年中性发现中性K介子的过程中间接地证明了CP破缺。2001年斯坦 福BaBar研究组和Belle研究组各自独立地在实验中发现了B介子的这一过程。而BaBar小组更是在2004年发现B介 子与反B介子衰变的差异而“直接”证明了CP破缺。
B介子是一种由正反物质共同构成的短命粒子,它由一个夸克和一个反夸克组成。
费米实验室
美国物理学研究中心
01 历史发展
03 形成 05 多样化
目录
02 性质 04 风险 06 新线索
07 前景
09 最新发现 011 主要人物
目录
08 研究成果 010 社会影响
基本信息
费米国家加速器实验室(Fermilab),以1938年诺贝尔物理学奖得主恩利克·费米(Enrico Fermi)的名 字命名。始建立于1967年,费米实验室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,2021年实验室有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2021年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。
费米实验室在进行加速器预制研究“为什么在我们的宇宙中,物质占主导地位?这个实验结果为我们提供了 一个重要的解答线索,”该研究的领导者来自英格兰兰开斯特大学的古恩纳迪·鲍里索夫说,他是上周五在费米 实验室的一次谈话节目中作此表示的。不到一周时间,这番话就在物理学界广泛传开了。
前景
前景
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, 2021年我们最重要的是坚持住。”
费米实验(f)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。”
物理学家们在1979年开始建造Tevatron时就是怀着这样一个大梦想,他们的目标是想确证顶夸克是否存在。 夸克是构成质子、中子和其它亚原子粒子的基本元素,理论上它是由三种不带整电荷的更基本的粒子组成,顶夸 克和底夸克是其中最重的粒子。费米实验室曾在1977年用环型加速器探测到底夸克的存在。寻找更重的顶夸克意 味着要用5亿至15亿电子伏特的能量击碎质子或反质子,设计Tevatron的目的就是做这件事。通过进一步的改造, 对撞机在1995年捕捉到了顶夸克。新发现让物理学家们欢呼雀跃,却让实验室的管理者们开始头痛。
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。”
研究成果
研究成果
费米实验室精确测定物质与反物质转换速率
设在费米实验室的国际CDF(Collider Detector at Fermilab)合作组织对物质反物质之间的超快转换进 行了最精确的测量。实验发现某些B介子可以自发地转变成为反B介子然后再变回B介子,转变速度为三万亿次每 秒。这一结果与粒子物理标准模型相吻合,并再次证明电荷宇称破缺的存在,而CP破缺被认为是宇宙中物质比反 物质多的原因。
但是,这只是一个大胆的假设。建造直线对撞机所需要的国际合作规模异常艰难,这里面充斥着经费的超限 运作、团队间的明争暗斗和国际政治问题。即使对撞机事业向前进了,但它未必一定落户美国。日本文部省的高 能加速器研究中心(KEK)的常务主任说,日本正在全力以赴地希望将对撞机能安置KEK。
新线索
新线索
费米国家加速器实验室的物理学家们报告说,他们已经发现了有助于揭示诸多宇宙神秘之一的新线索:为什 么宇宙是由物质而不是它神秘的孪生兄弟暗物质所组成。如果该发现得以被证实,同时意味着位于日内瓦的大型 强子对撞机计划取得了重大突破,甚至可能对人类之所以存在的原因作出解释。
形成
形成
费米实验室位于伊利诺伊州大草原边上的巴达维亚,拥有2100多名政府雇员,年度预算为3.07亿美元。实 验室分别于1977年6月和1995年2月发现了基本粒子和力标准模型中的两个主要部分:底夸克和顶夸克。1983年, 实验室耗资1.2亿美元建造了迄今为止世界上能量最强的碰撞器Tevatron。2001年7月,物理学家在Tevatron上 第一次直接观察到了τ中微子,从而开启了物理研究的一个新时代。但在未来3年里,Tevatron将被欧洲高能物 理实验室一个能量更大的对撞机——大型强子加速器(Large Hadron Collider,LHC)所取代。美国政府计划在 LHC启用时就关闭Tevatron,费米实验室面临一个非常不确定的未来。由于环形电子对撞机向更高发展时遇到同 步辐射能量损失随束能量的四次方增长的困难,因此,国际高能物理界达成共识:在LHC后,采用大型直线对撞 机(International Linear Collider,简称ILC)作为新一代的高能物理对撞机。ILC是一个庞然大物,它将 建造在总长达30多公里的地下隧道里,使用最新的超导技术以5000亿电子伏特的能量击碎电子,预计到2016年前 后才可建成,造价高达60亿美元。正是因为直线对撞机昂贵又费时,全球只能建造一台。
宇宙学家们相信,在大爆炸最初产生的物质与反物质等量。但是如果物质与反物质精确对等,则在它们湮灭 之后就只能剩下光子。事实并非如此,在这个宇宙中物质比反物质要多得多。物质统治下的宇宙的客观存在说明, 物质与反物质在大爆炸之后经历了不同的演化过程。在粒子物理标准模型中有一个过程叫做电荷宇称破缺(CP violation),它是造成物质、反物质命运炯异的原因。CP破缺意味着,当物理定律用之于三维反转和室证实,Tevatron粒子加速器产生出新的粒子Xi-sub-b。 Xi-sub-b属于重子,由三个夸克构成, 一个奇夸克,一个上夸克和一个底夸克。它的存在已被标准模型所预言,观察到中性粒子Xi-sub-b的意义在于它 加强我们对夸克形成物质的理解。
2021年4月,美国能源部下属费米实验室公布了关于缪子反常磁矩测量的第一批实验结果,显示基本粒子缪 子的行为和标准模型理论预测不相符。
多样化
多样化
费米实验室可以选择类似斯坦福加速器中心的多样化。费米实验室已将自己的触角伸展到充满宇宙的不带电 的微中子,但微中子的研究不足以维持实验室现有的水平。实验室的许多物理学家对实验室使命的改变不屑一顾。 CDF的发言人、物理学家Young Kee Kim说:“多样化是最容易的解决方案,但最艰难的路才是最有意义 的。”“从我的观点来看,我们或者成为美国的高能中心,或者失去能量的前沿地位。” Oddone同意这种观点。 他说:“国际直线对撞机是实验室2021年最大的机会。”在美国能源部的帮助下,费米实验室将提高它的加速器 和对撞机研究,以期作为获得新设备的强大承诺。Oddone说,如果事情进展顺利,因为使用直线对撞机探测希格 斯等奇异的粒子,费米实验室在下个十年中将再次成为世界物理学的中心。
费米实验室并不是惟一遭遇两难处境的美国粒子物理实验室。诺贝尔奖获得者Burton Richter是位于加州 的斯坦福直线加速器中心的荣誉退休主任,他在1992年时也遇到过类似的问题。当时,实验室有一台曾在1968年 第一个探测到夸克的电子加速器,但这台加速器的改造已经走到了尽头,没有再发展的空间了。因此,Richter 决定将加速器转变为高能的X射线源,供生物学家、化学家和材料学家确定分子和材料的结构。斯坦福直线加速器 中心也开始了多样化的研究,步入了天体物理学、射线探测和宇宙学的领域。2021年,斯坦福直线加速器中心欣 欣向荣,年度预算稳定增加。
费米实验室拥有世界上运行能量第二高的质子-反质子对撞机Tevatron(980GeV×980GeV),附属有两大 探测器CDF和D∅。2008年9月欧洲粒子物理研究中心建成的大型强子对撞机,设计可产生七倍于费米实验室记录的 能量。
1995年3月2日,费米实验室宣布在兆电子伏特加速器上发现了第六种夸克——顶夸克。
2021年4月,美国能源部下属费米实验室公布了关于缪子反常磁矩测量的第一批实验结果,显示基本粒子缪 子的行为和标准模型理论预测不相符。
历史发展
历史发展
昔日的费米实验室费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory,缩写为Fermilab 或FNAL),简称费米实验室,是隶属于美国能源部的一所美国国家实验室,位于美国伊利诺伊斯州巴达维亚附近 的草原上。
在一个数学化的完美宇宙中,人类基本上是不可能存在的,也是不应该存在的。爱因斯坦相对论和量子力学 的基本原理表明,宇宙大爆炸中产生的物质和反物质的量是相等的,在一片巨大的能量爆发中它们迅速彼此湮灭, 不可能有多余的部分用于产生恒星、星系和人类。但事实上,人类就是存在于这个世界上,因此物理学家们非常 期望能了解其中的原因。
性质
性质
最高的能量寻找最小的粒子Oddone将成为实验室的第15任主任。费米实验室是美国最大的高能物理实验室, 在世界上是仅次于欧洲粒子物理研究所的第二大实验室。1967年11月21日,美国总统林顿·约翰逊签署法案,授 权美国原子能委员会成立国家加速器实验室。1974年5月11日,为纪念原子时代卓越的物理学家、1938年诺贝尔 物理学奖获得者恩里科·费米,实验室改名为费米国家加速器实验室。实验室的目标是探索自然界最微小的部 分——存在于原子中的世界,了解宇宙是如何形成和运转的,提高人类对物质和能量的基本属性的理解。
费米实验室的正负质子对撞机还是世界上最为强大的粒子加速器,DZero协作小组的研究人员们利用这台加 速器将质子与反质子相互碰撞并进行数据筛选,他们发现碰撞中产生的μ介子即所谓的胖电子,其出现的频率比 产生反μ介子的频率要高出一些。因此,加速器中原本被认为是中性的微型宇宙开始向物质宇宙靠拢了,在这个 宇宙中,物质比反物质要多出1%。
风险
风险
Oddone梦想让直线对撞机落户费米实验室。他希望通过与国际同行的努力,最迟于2010年底开始在费米实 验室建造直线对撞机。他知道对撞机的建设需要科学界的合作、国际外交的协调和美国政府对巨额经费的承诺。 这个计划是一场冒险,它既可让实验室恢复昔日的辉煌,也会因目标或未来的不确定性而让实验室飘忽不定。
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