Jefferson Lab — Yhdysvaltain kansallinen kiihdytin Newport Newsissä
Jefferson Lab (TJNAF) Newport Newsissä – maailmanluokan hiukkaskiihdytin ja ydinfysiikan tutkimuskeskus, joka kehittää CEBAF:n 12 GeV -päivitystä ja kansainvälistä tutkimusyhteistyötä.
Koordinaatit: 37°05′41″N 76°28′54″W / 37.09472°N 76.48167°W / 37.09472; -76.48167
Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), yleisesti Jefferson Lab tai JLab, on Yhdysvaltain kansallinen laboratorio Newport Newsissa, Virginiassa. Se sijaitsee lähellä Interstate 64:n liittymää 256. Kesäkuun 1. päivästä 2006 lähtien sitä on ylläpitänyt Jefferson Science Associates, LLC, joka on Southeastern Universities Research Association, Inc:n ja CSC Applied Technologies, LLC:n yhteisyritys. Vuoteen 1996 asti se tunnettiin nimellä Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF). Tätä nimeä käytetään edelleen paljon pääkiihdyttimestä.
Vuonna 1984 perustettu JLab työllistää yli 675 henkilöä. Yli 2 000 tutkijaa ympäri maailmaa on tehnyt tutkimusta laitoksessa. Sen tehtävänä on "tarjota huipputason tieteellisiä tiloja, mahdollisuuksia ja johtajuutta, jotka ovat välttämättömiä ydinmateriaalin perusrakenteen löytämiseksi, toimia yhteistyökumppanina teollisuuden kanssa kehittyneen teknologian soveltamiseksi ja palvella kansakuntaa ja sen yhteisöjä koulutuksen ja yleisölle suunnatun tiedotuksen avulla".
Laitosta ollaan rakentamassa uudelleen, jotta sen energia nousisi 6 GeV:stä 12 GeV:iin. Tätä varten kiihdyttimeen lisätään tehokkaampia magneetteja ja virtalähteitä. Lisäksi lisätään uusi koehalli. CEBAF suljetaan toukokuusta joulukuuhun 2011 asennustöiden ajaksi, ja rakennustyöt valmistuvat vuoteen 2013 mennessä. Täysi toiminta alkaa vuonna 2015.
Kuvaus ja tehtävä
Jefferson Lab on Yhdysvaltain energia- ja tiedeministeriön (U.S. Department of Energy, Office of Science) rahoittama kansallinen käyttäjälaboratorio, joka on erikoistunut elektroni- ja ydinfysiikan kokeelliseen tutkimukseen. Laboratorion peruspalveluihin kuuluu maailmanluokan kiihdytinlaitteisto, kehittyneet koe- ja mittalaitteet sekä kansainvälinen käyttäjäyhteisö, joka tulee laboratoriolle suorittamaan kokeita ja analysoimaan tuloksia. JLab pyrkii sekä perusfysiikan edistämiseen että teknologisiin sovelluksiin ja koulutustoimintaan.
CEBAF‑kiihdytin
Keskeinen laite JLabissa on CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) – jatkuvatoiminen, useita kiertoja käyttävä lineaarikiihdytin (recirculating linac), joka tuottaa korkean laadun (pieni energia‑että hajonta), jatkuvan aallon (continuous wave) elektronisuihkun. CEBAF käyttää suprajohtavia radio‑taajuus (SRF) -kaviteetteja ja kryojärjestelmiä, ja se toimittaa elektroneja useisiin koehalleihin samanaikaisesti. Kiihdyttimen ominaisuuksiin kuuluu myös korkea polarisaatio ja täsmällinen energiankontrolli, jotka ovat tärkeitä nykyfysiikan kokeissa.
12 GeV -laajennus ja uudet tilat
Laboratorioon toteutettiin merkittävä 12 GeV -laajennus, jossa CEBAF:n energia nostettiin aikaisemmasta noin 6 GeV:stä noin 12 GeV:iin. Laajennus sisälsi uusia ja päivitettyjä kryomoduuleja, tehovirtalähteitä, magneteja sekä uuden koealueen, Hall D:n, joka mahdollistaa uusien hadronispektroskopian kokeiden, kuten GlueX‑projektin, suorittamisen. Laajennuksen myötä JLab sai lisää tutkimuskapasiteettia ja mahdollisuuden tutkia vakavasti kvarkkien ja gluonien dynamiikkaa sekä hadronien sisäistä rakennetta.
Tutkimusalueet
- Hadronifysiikka ja nukleonien sisäinen rakenne — mm. muoto‑ ja jakautumafunktiot (form factors), osuusfunktiot ja kolmiulotteiset jakautumat (GPD:t, TMD:t)
- Kvarkeihin ja gluoneihin liittyvän vahvan vuorovaikutuksen tutkimus (QCD) ja hadronispektroskopia
- Parity‑violation -kokeet ja tarkat testit Standardimallin ennusteille
- Ydinmateriaalin rakenne ja modifikaatiot nukleonissa sekä ydinmateriaalien mikrorakenne
- Teknologinen kehitys, kuten SRF‑teknologiat, diagnostiikka ja nopea elektroniikka
Käyttäjäyhteisö ja yhteistyö
JLab on käyttäjälaboratorio: sen laitteita käyttää laaja kansainvälinen tutkijayhteisö yliopistoista, tutkimuslaitoksista ja teollisuudesta. Laboratorio tekee yhteistyötä sekä akateemisten instituutioiden että teollisuuden kanssa teknologian soveltamisessa ja kehittämisessä. Jefferson Science Associates toimii laitoksen hallinnoijana DOE:n sopimuksen mukaisesti.
Koulutus ja tiedeviestintä
Jefferson Labilla on laaja koulutus‑ ja yleisötoiminta: se järjestää kouluvierailuja, työpajoja, kesäohjelmia opiskelijoille ja opettajille sekä avoimia yleisökierroksia ja esitelmiä. Laboratorio pyrkii edistämään luonnontieteiden ja tekniikan opiskelua sekä tarjoamaan käytännön tutkimuskokemusta nuorille tutkijoille ja opiskelijoille.
Lisätietoja ja keskeisiä seikkoja
- Sijainti: Newport News, Virginia, lähellä Interstate 64, liittymä 256.
- Perustettu: 1984.
- Organisaatio: Yhdysvaltain DOE, hallinnasta vastaa Jefferson Science Associates, LLC.
- Keskeinen laite: CEBAF‑kiihdytin, jatkuvatoiminen suprajohtava recirculating linac.
CEBAF‑nimiä ja termistöä käytetään edelleen paljon kiihdyttimestä ja sen kokeellisista tiloista. Jefferson Lab jatkaa tutkimusta hiukkasfysiikan, ydinfysiikan ja niiden teknologisten sovellusten alueilla sekä palvelee laajaa kansainvälistä käyttäjäyhteisöä.
Ilmakuva Jeffersonin laboratoriosta.
Kiihdytin
Laboratorion tärkein tutkimuslaitteisto on CEBAF-kiihdytin, joka koostuu polarisoidusta elektronilähteestä ja injektorista sekä parista 1400 metrin pituisesta suprajohtavasta RF-lineaarikiihdyttimestä. Kahden lineaarikiihdyttimen päät on yhdistetty toisiinsa kahdella kaariosuudella, joissa on magneetit, jotka taivuttavat elektronisuihkua kaaressa. Säteen reitti on siis kilparadan muotoinen soikio. (Useimmissa kiihdyttimissä, kuten CERNissä tai Fermilabissa, on ympyränmuotoinen rata, jossa on monia lyhyitä kammioita, jotta ympyrän varrella leviävät elektronit nopeutuisivat). Kun elektronisuihku tekee enintään viisi peräkkäistä kiertorataa, sen energia kasvaa enintään 6 GeV:iin. CEBAF on käytännössä Stanfordin SLAC:n kaltainen lineaarikiihdytin (LINAC), joka on taitettu kymmenesosaan normaalista pituudestaan. Se toimii ikään kuin se olisi 7,8 mailin pituinen lineaarikiihdytin.
CEBAF:n rakenteen ansiosta elektronisuihku on jatkuva eikä rengaskiihdyttimille tyypillinen pulssisuihku. (Säteen rakenne on jonkin verran olemassa, mutta pulssit ovat paljon lyhyempiä ja lähempänä toisiaan). Elektronisuihku kohdistetaan kolmeen mahdolliseen kohteeseen (ks. jäljempänä). Yksi JLabin erityispiirteistä on elektronisuihkun jatkuva luonne, sillä sen säteen pituus on alle 1 pikosekunti. Toinen erityispiirre on JLabin käyttämä suprajohtava RF-teknologia (SRF), jossa nestemäistä heliumia käytetään niobiumin jäähdyttämiseen noin 4 K:een (-452,5°F), mikä poistaa sähköisen vastuksen ja mahdollistaa tehokkaimman mahdollisen energiansiirron elektroniin. JLab käyttää tähän tarkoitukseen maailman suurinta nestemäisen heliumin jäähdytyslaitetta, ja se oli yksi ensimmäisistä SRF-teknologian laajamittaisista toteuttajista. Kiihdytin on rakennettu 8 metriä eli noin 25 jalkaa maanpinnan alapuolelle, ja kiihdytintunneleiden seinät ovat kaksi jalkaa paksut.
Säde päättyy kolmeen koehalliin, joita kutsutaan halleiksi A, B ja C. Kussakin hallissa on oma spektrometri, joka tallentaa elektronisuihkun ja paikallaan olevan kohteen välisten törmäysten tulokset. Näin fyysikot voivat tutkia atomiytimen rakennetta, erityisesti ytimen protonit ja neutronit muodostavien kvarkkien vuorovaikutusta.
Hiukkasten käyttäytyminen
Joka kerta, kun säde kiertää silmukan, se kulkee kummankin LINAC-kiihdyttimen läpi, mutta eri taivutusmagneettien läpi. (Kumpikin sarja on suunniteltu käsittelemään eri säteen nopeutta.) Elektronit kulkevat LINAC-kiihdyttimien läpi enintään viisi kertaa.
Törmäystapahtuma
Kun säteen elektroni osuu kohteessa olevaan ytimeen, tapahtuu "vuorovaikutus" tai "tapahtuma", joka hajottaa hiukkasia saliin. Jokaisessa salissa on joukko hiukkasilmaisimia, jotka seuraavat tapahtuman tuottamien hiukkasten fysikaalisia ominaisuuksia. Ilmaisimet tuottavat sähköisiä pulsseja, jotka muunnetaan digitaalisiksi arvoiksi analogi-digitaalimuunninten (ADC), aika-digitaalimuunninten (TDC) ja pulssilaskureiden (scalereiden) avulla.
Nämä digitaaliset tiedot on kerättävä ja tallennettava, jotta fyysikko voi myöhemmin analysoida tiedot ja rekonstruoida tapahtuneen fysiikan. Elektroniikan ja tietokoneiden muodostamaa järjestelmää, joka suorittaa tämän tehtävän, kutsutaan tiedonkeruujärjestelmäksi.
12 GeV:n päivitys
Kesäkuusta 2010 alkaen on aloitettu uuden pääteaseman, halli D:n, rakentaminen kiihdyttimen vastakkaiseen päähän kolmesta muusta hallista, sekä parannus, joka kaksinkertaistaa säteen energian 12 GeV:iin. Samanaikaisesti rakennetaan lisäosaa testilaboratorioon (jossa valmistetaan CEBAFissa ja muissa maailmanlaajuisesti käytetyissä kiihdyttimissä käytettäviä SRF-kaviteetteja).
12GeV:n päivitys, joka on parhaillaan rakenteilla.
Vapaa-elektronilaser
JLabissa on maailman tehokkain viritettävä vapaan elektronin laser, jonka teho on yli 14 kilowattia. Yhdysvaltain laivasto rahoittaa tätä tutkimusta kehittääkseen laserin, jolla voitaisiin ampua alas ohjuksia. Koska laboratoriossa tehdään salaista sotilastutkimusta, se on suljettu yleisöltä lukuun ottamatta kerran kahdessa vuodessa järjestettäviä avoimien ovien päiviä.
JLabin vapaan elektronin laser käyttää energian talteenottoa LINAC-laitetta. Elektronit injektoidaan lineaarikiihdyttimeen. Nopeasti liikkuvat elektronit kulkevat sen jälkeen heiluttimen läpi, joka tuottaa kirkkaan laservalonsäteen. Tämän jälkeen elektronit otetaan kiinni ja ohjataan takaisin LINACin injektiopäähän, jossa ne siirtävät suurimman osan energiastaan uuteen elektronierään ja toistavat prosessin. Koska elektronit ja suurin osa niiden energiasta käytetään uudelleen, vapaan elektronin laser tarvitsee vähemmän sähköä toimiakseen. JLab on ensimmäinen energian talteenottoon tarkoitettu LINAC-laite, joka tuottaa ultraliukoista valoa. Cornellin yliopisto yrittää nyt rakentaa sellaista, joka tuottaa röntgensäteitä.
Kaaviokuva vapaiden elektronien laserista
CODA
Koska CEBAFissa on käynnissä samanaikaisesti kolme toisiaan täydentävää koetta, päätettiin, että kolmen tiedonkeruujärjestelmän olisi oltava mahdollisimman samankaltaisia, jotta kokeesta toiseen siirtyvät fyysikot löytäisivät tutun ympäristön. Tätä varten palkattiin joukko erikoistuneita fyysikoita muodostamaan tiedonkeruun kehitysryhmä, jonka tehtävänä oli kehittää kaikille kolmelle salille yhteinen järjestelmä. Tuloksena syntyi CODA, CEBAFin online-tiedonkeruujärjestelmä [1].
Kuvaus
CODA on joukko ohjelmistotyökaluja ja suositeltuja laitteistoja, joiden avulla voidaan rakentaa tiedonkeruujärjestelmä ydinfysiikan kokeita varten. Ydin- ja hiukkasfysiikan kokeissa hiukkasjäljet digitoidaan tiedonkeruujärjestelmällä, mutta ilmaisimet pystyvät tuottamaan suuren määrän mahdollisia mittauksia eli "datakanavia".
ADC, TDC ja muu digitaalielektroniikka ovat tyypillisesti suuria piirilevyjä, joiden etureunassa on liittimet, jotka tarjoavat digitaalisignaalien tulon ja lähdön, ja takaosassa on liitin, joka liitetään taustalevyyn. Ryhmä piirilevyjä kytketään alustaan tai "koteloon", joka tarjoaa fyysisen tuen, virran ja jäähdytyksen piirilevyille ja taustalevylle. Tämä järjestely mahdollistaa sen, että elektroniikka, joka pystyy digitoimaan useita satoja kanavia, mahtuu yhteen alustaan.
CODA-järjestelmässä jokainen alusta sisältää piirilevyn, joka toimii älykkäänä ohjaimena muille alustoille. Tämä ROC-ohjaimeksi (ReadOut Controller) kutsuttu kortti konfiguroi jokaisen digitointikortin, kun se vastaanottaa ensimmäisen kerran dataa, lukee datan digitointilaitteista ja muotoilee datan myöhempää analysointia varten.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Yhdysvaltain kansallisen laboratorion nimi Newport Newsissa, Virginiassa?
V: Newport Newsissa, Virginiassa sijaitsevan Yhdysvaltain kansallisen laboratorion nimi on Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), josta käytetään yleisesti nimitystä Jefferson Lab tai JLab.
K: Kuka ylläpitää TJNAFia?
V: TJNAF:n toiminnasta vastaa Jefferson Science Associates, LLC, joka on Southeastern Universities Research Association, Inc:n ja CSC Applied Technologies, LLC:n yhteisyritys.
K: Kuinka monta henkilöä JLab työllistää?
V: JLab työllistää yli 675 henkilöä.
K: Kuinka monta tutkijaa on tehnyt tutkimusta laitoksen avulla?
V: Yli 2 000 tutkijaa eri puolilta maailmaa on tehnyt tutkimusta laitoksessa.
K: Mikä on TJNAFin tehtävä?
V: TJNAF:n tehtävänä on "tarjota eturivin tieteellisiä tiloja, mahdollisuuksia ja johtajuutta, jotka ovat välttämättömiä ydinmateriaalin perusrakenteen löytämiseksi, toimia yhteistyökumppanina teollisuuden kanssa sen kehittyneen teknologian soveltamiseksi sekä palvella kansakuntaa ja sen yhteisöjä koulutuksen ja yleisölle suunnatun tiedotuksen avulla".
Kysymys: Mitä parannuksia tehdään energian nostamiseksi 6 GeV:stä 12 GeV:iin?
V: Energian nostamiseksi 6 GeV:stä 12 GeV:iin kiihdyttimeen lisätään tehokkaampia magneetteja ja virtalähteitä sekä uusi koehalli.
K: Milloin täysi toiminta alkaa rakentamisen päätyttyä?
V: Täysimittainen toiminta alkaa vuonna 2015 sen jälkeen, kun rakennustyöt on saatu päätökseen vuoteen 2013 mennessä.
Etsiä