El Acelerador Nacional Thomas Jefferson ( TJNAF ), comúnmente llamado Laboratorio Jefferson o JLab , es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de Estados Unidos ubicado en Newport News, Virginia . [1]
Desde el 1 de junio de 2006, su funcionamiento está a cargo de Jefferson Science Associates, LLC, una sociedad de responsabilidad limitada creada por Southeastern Universities Research Association y PAE Applied Technologies. Desde 2021, Jefferson Science Association es una subsidiaria de propiedad absoluta de Southeastern Universities Research Association. Hasta 1996, TJNAF se conocía como Continuous Electron Beam Accelerator Facility (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 utilizando la instalación. [2]
La instalación fue fundada en 1984 (la primera financiación la recibió el Departamento de Energía ) como Instalación de Acelerador de Haz de Electrones Continuo (CEBAF) por la Asociación de Investigación de Universidades del Sureste; el nombre se cambió a Instalación de Acelerador Nacional Thomas Jefferson en 1996. El Congreso de los EE. UU. 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 se entregó al área experimental el 1 de julio de 1994. La energía de diseño de 4 GeV para el haz se logró 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 a la energía de diseño se lograron el 19 de junio de 1998. El 6 de agosto de 2000, el CEBAF alcanzó la "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 a 12 GeV comenzando en 2009. El 18 de mayo de 2012, el acelerador CEBAF original de 6 GeV se apagó para reemplazar los componentes del acelerador para la actualización a 12 GeV. Se completaron 178 experimentos con el CEBAF original. [3] [4]
Además del acelerador, el laboratorio ha albergado y sigue albergando un instrumento láser de electrones libres (FEL). La construcción del FEL comenzó el 11 de junio de 1996 y alcanzó su primera luz el 17 de junio de 1998. Desde entonces, el FEL ha sido mejorado numerosas veces, aumentando sustancialmente su potencia y sus capacidades.
El Laboratorio Jefferson también participó en la construcción de la Fuente de Neutrones por Espalación (SNS) en Oak Ridge y su modernización, y del Colisionador de Electrones e Iones en el Laboratorio Nacional Brookhaven. Jefferson construye aceleradores superconductores y sistemas de refrigeración de helio para los aceleradores del DOE en el complejo del laboratorio nacional.
La principal instalación de investigación del laboratorio es el acelerador CEBAF, que consta de una fuente y un 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 por dos secciones de arco que contienen imanes de dirección. A medida que el haz de electrones realiza hasta cinco órbitas sucesivas, su energía aumenta hasta un máximo de 6 GeV (la máquina CEBAF original funcionó 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 una energía de 12 GeV). Esto conduce a un diseño que parece similar a una pista de carreras en comparación con los aceleradores clásicos en forma de anillo que se encuentran en sitios como CERN o Fermilab . Efectivamente, CEBAF es un acelerador lineal , similar al SLAC en Stanford , que se ha 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 en forma de anillo. (Hay cierta estructura del haz, pero los pulsos son mucho más cortos y más cercanos entre sí). El haz de electrones se dirige a tres objetivos potenciales (ver más abajo). Una de las características distintivas del Laboratorio Jefferson es la naturaleza continua del haz de electrones, con una longitud de haz de menos de 1 picosegundo . Otra es el uso que hace el Laboratorio Jefferson de la 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 lograr esto, el Laboratorio Jefferson 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 por 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.
En cada revolución alrededor del acelerador, el haz pasa por cada uno de los dos aceleradores lineales , pero a través de un conjunto diferente de imanes de flexión en arcos semicirculares en los extremos de los aceleradores lineales. Los electrones realizan hasta cinco pasadas a través de los aceleradores lineales.
Cuando un núcleo del objetivo es alcanzado por un electrón del haz, se produce una "interacción" o "evento" que dispersa 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 conversores analógico-digitales (ADC), conversores 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 se produjo. El sistema de electrónica y computadoras que realiza esta tarea se denomina sistema de adquisición de datos .
En junio de 2010 [actualizar], se inició la construcción de una modernización de 338 millones de dólares para añadir una estación terminal, 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 de 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, 10,5 GeV, enviando el haz al Hall D. [5]
En diciembre de 2016 [actualizar], el acelerador CEBAF entregó electrones de energía completa como parte de las actividades de puesta en servicio para el proyecto de actualización de 12 GeV en curso. Los operadores de la Instalación del Acelerador de Haz Continuo de Electrones entregaron el primer lote de electrones de 12 GeV (12,065 gigaelectronvoltios) a su complejo de salas experimentales más nuevo, la Sala D. [6]
En septiembre de 2017, el DOE emitió la notificación oficial de la aprobación formal de la finalización del proyecto de actualización de 12 GeV y el inicio de las operaciones. En la primavera de 2018, las cuatro áreas de investigación estaban recibiendo con éxito el haz y realizando experimentos. El 2 de mayo de 2018 tuvo lugar la ceremonia de inauguración de la actualización de 12 GeV del CEBAF. [7]
A partir de diciembre de 2018 [actualizar], el acelerador CEBAF envió haces de electrones a las cuatro salas experimentales simultáneamente para que se pusieran en marcha producciones con calidad física. [8] En 2024 apareció una descripción técnica completa de la actualización del acelerador y su posterior rendimiento. [9]
El Laboratorio Jefferson lleva a cabo un amplio programa de investigación que utiliza 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. [10] Las principales herramientas son la dispersión de electrones y la creación y uso de fotones reales de alta energía. Además, tanto los haces de electrones como 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 exclusiva de cada una.
Se han utilizado espectrómetros de alta resolución (HRS) para estudiar la dispersión de electrones inelástica profunda. Utilizando haces de electrones polarizados muy bien controlados, se ha estudiado la violación de paridad en la dispersión de electrones.
El detector CLAS fue el pilar del programa experimental Hall B desde 1998 hasta 2012. Existen grupos de trabajo de física en las áreas de interacciones inelásticas profundas, espectroscopia de hadrones e interacciones nucleares. Consulte el artículo relacionado con el espectrómetro en sí y el programa de física en el enlace CLAS . Se utilizaron haces de electrones y fotones reales polarizados. Los objetivos de física incluyeron hidrógeno líquido y deuterio, así como materiales nucleares masivos.
En la era de los haces de 12 GeV en el Laboratorio Jefferson, el programa Hall 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 comienza en 2014. Esta sala alberga el experimento GlueX , que está diseñado para mapear en detalle el espectro de mesones ligeros sin sabor en la búsqueda de excitaciones gluónicas explícitas en mesones.
JLab alberga el láser de electrones libres sintonizable más potente del mundo , con una potencia de más de 14 kilovatios .
Como el CEBAF tiene tres experimentos complementarios que se ejecutan 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 con el fin de desarrollar un sistema común para las tres salas. El resultado fue CODA , el sistema de adquisición de datos en línea del CEBAF . [11]
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 experimentos de física nuclear y de partículas , las trazas de partículas son digitalizadas por el sistema de adquisición de datos, pero los detectores son capaces de generar una gran cantidad de posibles mediciones o "canales de datos".
Por lo general, los ADC, TDC y otros componentes electrónicos digitales son placas de circuitos 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 una placa base . Un grupo de placas se conecta a un chasis , o " caja ", que proporciona soporte físico, energía y refrigeración para las placas y la placa base. Esta disposición permite comprimir en un solo chasis componentes electrónicos capaces de digitalizar 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 de digitalización al recibir los datos por primera vez, lee los datos de los digitalizadores y formatea los datos para su posterior análisis.
