Neben dem CERN (siehe Kapitel 32) ist das Fermilab das weltweit bekannteste Teilchenbeschleuniger- und Hochenergiephysik-Labor. Es betreibt eine intensive Öffentlichkeitsarbeit, die Bildungsveranstaltungen, Ausstellungen für Kinder unter zwölf, Sonntagsgespräche mit Physikern und natürlich auch geführte Rundgänge umfasst.
Das Fermilab wurde 1967 gegründet und nach dem italienischen Physiker Enrico Fermi, der 1938 den Phyisk-Nobelpreis gewann, benannt. Das Labor betreibt Teilchenbeschleuniger (Abbildung 97.1) für die Forschung an subatomaren Teilchen. Am Fermilab wurde 1977 das Bottom-Quark und 1995 das Top-Quark entdeckt. 2008 verkündete man die Entdeckung des Omega-Sub-b-Teilchens, das aus zwei Strange-Quarks und einem Bottom-Quark besteht.
Das Labor forscht auch umfassend an Neutrinos. Es sendet zum Beispiel einen Neutrino-Strahl durch die Erde an eine 735 Kilometer entfernte Mine in Minnesota. Das Tevatron, Fermilabs Haupt-Teilchenbeschleuniger, ist der zweigrößte Teilchenbeschleuniger weltweit (hinter dem LHC; siehe Kapitel 32) und wird zur Durchführung von Protonen/Antiprotonen-Kollisionen verwendet.
Direkt in der Nähe des Tevatron befinden sich zwei Detektoren mit den Bezeichnungen DZERO und CDF. Mit dem DZERO-Detektor wurde des Omega-Sub-b-Teilchens entdeckt. CDF (was einfach »Collider Detector at Fermilab« bedeutet) wird zur Untersuchung der Teilchen verwendet, die bei Kollisionen von Protonen und Antiprotonen freigegeben werden. Dabei werden deren Flugbahn und Energie sowie Hinweise auf Phänomene, die nicht in das Standardmodell der Physik passen (siehe Das Higgs-Boson, der Large Hadron Collider und der Ursprung der Masse), aufgezeichnet. Die Flugbahn eines Teilchens hängt von dessen Impuls ab. Wenn die Teilchen während einer Kollision herausschießen, werden sie von Magneten abgelenkt – je größer die Ablenkung, desto kleiner der Impuls. Aus dem Impuls kann dann die Ladung oder Masse des Teilchens abgeleitet werden.
Wanderfreudige Besucher des Fermilab können zusätzlich noch die weitläufige Prärie, in der noch eine Bisonherde lebt, erkunden und einem Naturlehrpfad folgen. Das Lederman Science Center ist öffentlich zugänglich und dokumentiert die Arbeit des Fermilab. Das Center ist hauptsächlich für Schulkinder gedacht, vermittelt aber auch sehr gut all denen die Grundlagen der Teilchenphysik, die mit Protonen, Neutronen, Elektronen und Quarks nicht vertraut sind.
Besonders empfehlenswert ist es, einen Besuch des Fermilab mit einem »Ask-a-Scientist«-Vortrag zu verbinden. Diese Vorträge finden am ersten Sonntag eines Monats statt, und wie der Name es schon andeutet, hält ein Fermilab-Wissenschaftler einen Vortrag zur Arbeit des Labors und beantwortet anschließend Fragen. Auf den Vortrag folgt ein Rundgang durch das Labor. Weil am Fermilab keine der Geheimhaltung unterliegenden Arbeiten durchgeführt werden, bietet der Rundgang einen faszinierenden Einblick in die Welt der Teilchenphysiker.
Falls Sie an den Vorträgen nicht teilnehmen können, werden zusätzlich jeden Mittwochmorgen Rundgänge angeboten. Alle Führungen und Vorträge sind kostenlos, dennoch sollten Sie im Voraus buchen, weil es nur wenige Plätze gibt.
Das Fermilab beherbergt häufig auch kulturelle Veranstaltungen wie Filmvorführungen, Kunstausstellungen und Konzerte.
Die Fermilab-Website finden Sie unter http://ed.fnal.gov/.
Der Cockcroft-Walton-Generator
Der Tevatron-Beschleuniger am Fermilab schickt Protonen und Antiprotonen in einen 6,3 Kilometer langen Ring und lässt sie mit einer kombinierten Energie von fast 2 TeV kollidieren. Das hört sich nach viel an, entspricht aber in etwa der Energie, mit der zwei Moskitos zusammenprallen.
Um die benötigten Protonen zu erzeugen, wird Wasserstoffgas ionisiert, so dass H–-Ionen entstehen. Negativ geladener Wasserstoff besteht aus zwei Elektronen, die um ein einzelnes Proton kreisen. Als nächstes werden diese Ionen beschleunigt, indem man sie einfach durch einen Kohlenstofffilter zu einer entsprechend angebrachten hohen positiven Spannung fließen lässt. Der Filter entfernt die beiden Elektronen bei allen H––Ionen und übrig bleiben H+-Ionen. H+-Ionen sind einfach Protonen.
Zur Erzeugung von H—-Ionen aus Wasserstoffgas ist eine sehr hohe Spannung erforderlich. Am Fermilab wird ein Cockcroft-Walton-Generator verwendet, um eine Spannung von mehreren hunderttausend Volt zu generieren. Der Brite John Cockcroft und der Ire Ernest Walton gewannen 1951 den Physik-Nobelpreis für ihre Arbeit an frühen Teilchenbeschleunigern. Ein Teil ihrer wissenschaftlichen Arbeit erforderte eine Methode zur Erzeugung sehr hoher Spannungen. Der von ihnen entwickelte Schaltkreis wird heute als Cockcroft-Walton-Generator bezeichnet.
Der Cockcroft-Walton-Generator ist eine Art Spannungsvervielfacher. Er wandelt Wechselstrom in einen Hochspannungs-Gleichstrom um, der dann in Teilchenbeschleunigern verwendet werden kann. Im Generator werden die Kondensatoren durch Wechselstrom parallel aufgeladen, doch bei der Entladung fließt der Strom durch eine Reihe hintereinandergeschalteter Dioden. Auf diese Weise wird eine niedrige Spannung durch die Anzahl der Stufen in der Schaltung multipliziert.
In Abbildung 97.2 wird jeder der unteren beiden Kondensatoren C1 und C2 auf die doppelte Eingangswechselspannung aufgeladen. Bei der ersten Halbperiode der Wechselspannung erfolgt durch das linke Diode/Kondensator-Paar D1 und C4 die Aufladung von C4 auf die Eingangspannung. Bei der nächsten Halbperiode wird C1 über D2 durch C4 und die Eingangsspannung aufgeladen, was zu einer Verdoppelung der Eingangsspannung führt. Mit dem verbleibenden Kondensator C3 werden die unteren beiden Kondensatoren ausgeglichen, was zu einer Vervierfachung der Eingangsspannung zwischen dem unteren Kondensatorpaar, C1 und C2, führt.
Jede weitere Stufe erhöht die Ausgangsspannung. Mit diesem Generator konnten Cockcroft und Walton Spannungen von hunderten von Kilovolt erzeugen, Protonen (H+-Ionen) in Lithium beschleunigen und die Entstehung von Alphateilchen (bei denen es sich einfach nur um Helium-Ionen, He2+, handelt) beobachten.
Mit der Erzeugung von Antiprotonen verhält es sich ganz anders. Protonen mit sehr hoher Energie werden beschleunigt und Treffen auf Nickel. Wenn eine Million Protonen auf das Ziel treffen, werden etwa 20 bis 30 Antiprotonen erzeugt. Bei der Nickel-Kollision entstehen viele andere Teilchen, die mit leistungsfähigen gepulsten Magneten von den Antiprotonen getrennt werden.
Die Protonen und Antiprotonen werden dem Tevatron in entgegengesetzten Richtungen zugeführt und auf eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Kleine Korrekturen am Magnetfeld halten die Teilchen auf Kurs und lassen sie miteinander kollidieren.