La Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson ( TJNAF ), comúnmente llamada Jefferson Lab o JLab , es un Laboratorio Nacional del Departamento de Energía de EE. UU. ubicado en Newport News, Virginia . [1]
Desde el 1 de junio de 2006, ha sido operado por Jefferson Science Associates, LLC, una sociedad de responsabilidad limitada creada por la Southeastern Universities Research Association y PAE Applied Technologies. Desde 2021, la Jefferson Science Association ha sido una subsidiaria de propiedad total de la Southeastern Universities Research Association. Hasta 1996, TJNAF era conocida como Instalación Aceleradora de Haz de Electrones Continuos (CEBAF); Comúnmente, este nombre todavía se usa para el acelerador principal. Fundado en 1984, Jefferson Lab emplea a más de 750 personas y más de 2000 científicos de todo el mundo han realizado investigaciones en sus instalaciones. [2]
La instalación fue establecida en 1984 (primera financiación inicial por parte del Departamento de Energía ) como Instalación Aceleradora de Haz de Electrones Continuos (CEBAF) por la Asociación de Investigación de Universidades del Sureste; el nombre se cambió a Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson en 1996. El Congreso de los Estados Unidos asignó la financiación total para la construcción en 1986 y el 13 de febrero de 1987 comenzó la construcción del componente principal, el acelerador CEBAF. El primer haz fue entregado al área experimental el 1 de julio de 1994. La energía de diseño de 4 GeV para el haz se alcanzó durante el año 1995. La inauguración del laboratorio tuvo lugar el 24 de mayo de 1996 (en este evento también se cambió el nombre). . Las operaciones iniciales completas con las tres áreas experimentales iniciales en línea con la energía de diseño se lograron el 19 de junio de 1998. El 6 de agosto de 2000, el CEBAF alcanzó una "energía de diseño mejorada" de 6 GeV. En 2001, comenzaron los planes para una actualización energética a un haz de electrones de 12 GeV y los planes para construir una cuarta sala experimental. Los planes avanzaron a través de varias etapas de decisión crítica del DOE en la década de 2000, con la aceptación final del DOE en 2008 y la construcción de la actualización de 12 GeV a partir de 2009. El 18 de mayo de 2012, el acelerador CEBAF de 6 GeV original se cerró para reemplazar a los componentes del acelerador para la actualización de 12 GeV. Se completaron 178 experimentos con el CEBAF original. [3] [4]
Además del acelerador, el laboratorio ha albergado y alberga un instrumento láser de electrones libres (FEL). La construcción del FEL comenzó el 11 de junio de 1996. Alcanzó sus primeras luces el 17 de junio de 1998. Desde entonces, el FEL ha sido actualizado numerosas veces, aumentando sustancialmente su potencia y capacidades.
Jefferson Lab también participó en la construcción de la fuente de neutrones de espalación (SNS) en Oak Ridge y su mejora, y en el colisionador de iones de electrones en el laboratorio nacional Brookhaven. Jefferson construye aceleradores superconductores y sistemas de refrigeración de helio para aceleradores DOE en todo el complejo de laboratorios nacionales.
La principal instalación de investigación del laboratorio es el acelerador CEBAF, que consta de una fuente e inyector de electrones polarizados y un par de aceleradores lineales de RF superconductores de 1400 m (7/8 de milla) de longitud y conectados entre sí mediante dos secciones de arco que contienen imanes de dirección. A medida que el haz de electrones recorre hasta cinco órbitas sucesivas, su energía aumenta hasta un máximo de 6 GeV (la máquina CEBAF original trabajó por primera vez en 1995 con la energía de diseño de 4 GeV antes de alcanzar la "energía de diseño mejorada" de 6 GeV en 2000 ; desde entonces, la instalación se ha actualizado a energía de 12 GeV). Esto lleva a un diseño que parece similar a una pista de carreras en comparación con los clásicos aceleradores en forma de anillo que se encuentran en sitios como el CERN o Fermilab . Efectivamente, CEBAF es un acelerador lineal , similar al SLAC de Stanford , que ha sido plegado hasta una décima parte de su longitud normal.
El diseño del CEBAF permite que el haz de electrones sea continuo en lugar del haz pulsado típico de los aceleradores con forma de anillo. (Existe cierta estructura del haz, pero los pulsos son mucho más cortos y están más juntos). El haz de electrones se dirige hacia tres objetivos potenciales (ver más abajo). Una de las características distintivas de Jefferson Lab es la naturaleza continua del haz de electrones, con una longitud de haz de menos de 1 picosegundo . Otro es el uso por parte de Jefferson Lab de tecnología de radiofrecuencia superconductora (SRF), que utiliza helio líquido para enfriar el niobio a aproximadamente 4 K (-452,5 °F), eliminando la resistencia eléctrica y permitiendo la transferencia más eficiente de energía a un electrón. Para lograrlo, Jefferson Lab alberga el refrigerador de helio líquido más grande del mundo y fue una de las primeras implementaciones a gran escala de la tecnología SRF. El acelerador está construido a 8 metros debajo de la superficie de la Tierra, o aproximadamente 25 pies, y las paredes de los túneles del acelerador tienen 2 pies de espesor.
El haz termina en cuatro salas experimentales, denominadas Sala A, Sala B , Sala C y Sala D. Cada sala contiene espectrómetros especializados para registrar los productos de las colisiones entre el haz de electrones o con fotones reales y un objetivo estacionario. Esto permite a los físicos estudiar la estructura del núcleo atómico , específicamente la interacción de los quarks que forman los protones y neutrones del núcleo.
Con cada revolución alrededor del acelerador, el haz pasa a través de cada uno de los dos aceleradores LINAC , pero a través de un conjunto diferente de imanes de flexión en arcos semicirculares en los extremos de los linacs. Los electrones realizan hasta cinco pasos a través de los aceleradores lineales.
Cuando un núcleo del objetivo es golpeado por un electrón del haz, se produce una "interacción" o "evento" que dispersa las partículas en la sala. Cada sala contiene una serie de detectores de partículas que rastrean las propiedades físicas de las partículas producidas por el evento. Los detectores generan pulsos eléctricos que se convierten en valores digitales mediante convertidores de analógico a digital (ADC), convertidores de tiempo a digital (TDC) y contadores de pulsos (escaladores).
Estos datos digitales se recopilan y almacenan para que el físico pueda analizarlos posteriormente y reconstruir la física que ocurrió. El sistema de electrónica y computadoras que realizan esta tarea se denomina sistema de adquisición de datos .
En junio de 2010 [actualizar], comenzó la construcción de una mejora de 338 millones de dólares para agregar una estación final, la Sala D, en el extremo opuesto del acelerador a las otras tres salas, así como para duplicar la energía del haz a 12 GeV. Al mismo tiempo, se construyó una ampliación del Laboratorio de Pruebas (donde se fabrican las cavidades SRF utilizadas en CEBAF y otros aceleradores utilizados en todo el mundo).
En mayo de 2014 [actualizar], la actualización alcanzó un nuevo récord de energía del haz, de 10,5 GeV, entregando el haz al pabellón D. [5]
En diciembre de 2016 [actualizar], el acelerador CEBAF entregó electrones de plena energía como parte de las actividades de puesta en marcha del proyecto de actualización de 12 GeV en curso. Los operadores de la instalación del acelerador continuo de haz de electrones entregaron el primer lote de electrones de 12 GeV (12,065 Giga electronvoltios) a su nuevo complejo de salas experimentales, la Sala D. [6]
En septiembre de 2017, se emitió la notificación oficial del DOE de la aprobación formal de la finalización y el inicio de operaciones del proyecto de actualización de 12 GeV. En la primavera de 2018, las cuatro áreas de investigación recibían rayos y realizaban experimentos con éxito. El 2 de mayo de 2018 tuvo lugar la ceremonia de dedicación de la actualización de 12 GeV del CEBAF. [7]
A partir de diciembre de 2018 [actualizar], el acelerador CEBAF entregó haces de electrones a las cuatro salas experimentales simultáneamente para una producción con calidad física. [8]
Jefferson Lab lleva a cabo un amplio programa de investigación utilizando la interacción electromagnética para investigar la estructura del nucleón (protones y neutrones), la producción y desintegración de mesones ligeros y aspectos de las interacciones de los nucleones en el núcleo atómico. [9] Las principales herramientas son la dispersión de electrones y la creación y utilización de fotones reales de alta energía. Además, tanto los haces de electrones como los de fotones pueden polarizarse altamente, lo que permite la exploración de los llamados grados de libertad de espín en las investigaciones.
Las cuatro salas experimentales tienen objetivos de investigación distintos pero superpuestos, pero con instrumentación única para cada una.
Se han utilizado espectrómetros de alta resolución (HRS) para estudiar la dispersión de electrones profundamente inelástica. Se ha estudiado la violación de la paridad en la dispersión de electrones utilizando haces de electrones polarizados muy bien controlados.
El detector CLAS fue el pilar del programa experimental del Salón B de 1998 a 2012. Existen grupos de trabajo de física en las áreas de interacciones inelásticas profundas, espectroscopia de hadrones e interacciones nucleares. Ver el artículo relacionado con el espectrómetro propiamente dicho y el programa de física en el enlace CLAS . Se utilizaron fotones reales polarizados y haces de electrones. Los objetivos físicos incluían hidrógeno líquido y deuterio, así como materiales nucleares masivos.
En la era de los haces de 12 GeV en el Laboratorio Jefferson, el programa del Salón B se ha reestructurado para incluir un nuevo detector llamado CLAS12, así como varios otros experimentos que utilizan hardware más especializado.
Se han utilizado múltiples espectrómetros y equipos especializados para estudiar, por ejemplo, la dispersión de electrones que viola la paridad para medir la carga débil del protón y la producción hipernuclear con la interacción electromagnética.
Esta sala experimental se construyó para el inicio del programa de energía de haz de 12 GeV que comenzó en 2014. Esta sala alberga el experimento GlueX , que está diseñado para mapear en detalle el espectro de luz de mesones sin sabor en la búsqueda de excitaciones gluónicas explícitas en los mesones.
JLab alberga el láser de electrones libres sintonizable más potente del mundo , con una potencia de más de 14 kilovatios .
Dado que CEBAF tiene tres experimentos complementarios ejecutándose simultáneamente, se decidió que los tres sistemas de adquisición de datos deberían ser lo más similares posible, de modo que los físicos que pasaran de un experimento a otro encontraran un entorno familiar. Con ese fin, se contrató a un grupo de físicos especialistas para formar un grupo de desarrollo de adquisición de datos para desarrollar un sistema común para las tres salas. El resultado fue CODA , el sistema de adquisición de datos en línea del CEBAF . [10]
CODA es un conjunto de herramientas de software y hardware recomendado que facilita un sistema de adquisición de datos para experimentos de física nuclear . En los experimentos de física nuclear y de partículas , las trayectorias de las partículas se digitalizan mediante el sistema de adquisición de datos, pero los detectores son capaces de generar un gran número de mediciones posibles, o "canales de datos".
Normalmente, el ADC, el TDC y otros dispositivos electrónicos digitales son placas de circuito grandes con conectores en el borde frontal que proporcionan entrada y salida para señales digitales, y un conector en la parte posterior que se conecta a un panel posterior . Un grupo de placas se conecta a un chasis , o " caja ", que proporciona soporte físico, alimentación y refrigeración para las placas y el backplane. Esta disposición permite comprimir en un solo chasis componentes electrónicos capaces de digitalizar muchos cientos de canales.
En el sistema CODA, cada chasis contiene una placa que es un controlador inteligente para el resto del chasis. Esta placa, llamada Controlador de lectura (ROC), configura cada una de las placas digitalizadoras al recibir datos por primera vez, lee los datos de los digitalizadores y formatea los datos para su posterior análisis.
