近日，美国费米实验室官网发布2024年在粒子物理学、加速器技术、量子信息科学和天体物理学等多个领域取得的科学和技术进步，其中深层地下中微子实验(DUNE)项目、质子改进计划二期项目等应用于核技术与核物理研究项目得到重要进展。
以下是该实验室今年的十大亮点：
DUNE项目取得重要进展：费米实验室作为深层地下中微子实验(DUNE)的主办实验室，今年在DUNE项目上取得了多个里程碑式的进展。包括完成洞穴挖掘、举行剪彩活动、成功测试降低钢梁等，为远探测器的安装和未来实验的进行奠定了坚实基础。此外，DUNE近场探测器的原型也首次看到了加速器制造的中微子。
两个巨大的洞穴已经完工，每个洞穴长度超过 500 英尺，高度为七层楼，用于容纳长基线中微子设施/深层地下中微子实验的巨型粒子探测器模块，这是费米实验室领导的一项国际合作。第三个洞穴将容纳 DUNE 远探测器运行所需的公用设施。图片来源：Ryan Postel，费米实验室
该国际合作项目旨在探索中微子，解答宇宙最大问题。1,400多名科学家来自35国及欧洲核子研究中心参与。DUNE将建于南达科他州和伊利诺伊州的设施中，远探测器洞穴挖掘已完成，剪彩活动已举行，降低钢梁测试也成功完成。同时，费米实验室加速器综合设施在DUNE高强度运行上取得关键进展，主注入器光束强度达1兆瓦，近场探测器原型已观测到加速器制造的中微子，远场探测器原型也已准备运行。吉姆·克比被任命为新的LBNF/DUNE-US项目主管，负责管理该项目在美国的各个方面。
质子改进计划二期项目取得重大进展：质子改进计划II(PIP-II)是费米实验室粒子加速器综合设施的一项重大升级。今年，该项目迎来了新主任，并在低温模块运输和测试方面取得了重要进展。同时，国际合作伙伴也积极参与其中，为建造加速器贡献技术、仪器和专业知识。
2024 年 12 月的 PIP-II 施工现场。图片来源：Ryan Postel，费米实验室
质子改进计划II(PIP-II)引入先进的超导射频线性加速器。新主任Pantaleo Raimondi是知名物理学家，经验丰富。PIP-II团队在低温模块方面取得进展，成功测试了原型模块的运输系统。PIP-II是美国首台获国际合作伙伴支持的粒子加速器，法国、印度、意大利、波兰和英国等机构正为其贡献技术、仪器和专业知识。印度对PIP-II的贡献已进入建设阶段，实物贡献预计即将抵达费米实验室。英国和意大利的合作伙伴也在积极推进PIP-II项目。11月，PIP-II完成了早期常规设施子项目，准备进入2025年1月的最后审批阶段CD-4。
继续参与CERN的CMS实验：费米实验室一直是美国CMS的主办机构。今年，费米实验室的科学家帮助创建了扩大LHC对新粒子搜索范围的工具，并参与了CMS对W玻色子质量的新测量。此外，美国能源部还批准了为升级CMS实验提供的2亿美元资金的全面投入。
几十年来，费米实验室一直是 CERN CMS 实验的主办机构。2024 年，费米实验室杰出科学家帕蒂·麦克布莱德(右)完成了为期两年的 CMS 发言人任期，费米实验室资深科学家阿纳迪·卡内帕(左)成为 CMS 副发言人。图片来源：CERN
费米实验室长期主办美国CMS项目，参与欧洲核子研究中心CMS实验。CMS(Compact Muon Solenoid)实验是欧洲核子研究中心的一项重要研究，它利用世界最大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)产生的高能粒子碰撞数据，来探索物质的基本组成和宇宙的奥秘。
今年早些时候，费米实验室从事 CMS 工作的科学家帮助创建了一种工具，可扩大 LHC 对新粒子的搜索范围。这项搜索既可以揭示超出标准模型的物理原理，也可以为寻找一类被称为长寿命粒子的理论粒子设定最严格的限制。
在9月份，CMS合作项目宣布了一项重要的研究成果，即对自然界中携带力的粒子之一——W玻色子的质量进行了新的测量。这次测量的结果与理论预测高度一致，进一步验证了粒子物理学的标准模型。值得一提的是，这次测量是在继2022年费米实验室对撞机探测器实验进行的测量之后进行的，该测量曾一度与标准模型预测存在偏差。而此次新测量则代表了迄今为止对W玻色子质量最为精细的研究，其研究过程耗时近十年。
美国能源部已经批准了为升级CMS实验提供的2亿美元资金的全面投入。这一升级计划预计将于2029年实施，届时CMS合作者需要升级探测器以跟上即将到来的更高强度的粒子束。
在费米实验室与CMS合作的历程中，双方一直保持着密切的合作关系。今年9月，费米实验室杰出科学家帕蒂·麦克布莱德结束了为期两年的CMS发言人任期，并将权力移交给了新的管理团队。其中，费米实验室高级科学家阿纳迪·卡内帕担任了CMS副发言人一职，其任期将持续至2026年。
短基线中微子探测器探测到第一颗中微子：费米实验室的国际短基线中微子计划(SBN)致力于研究中微子的特性和中微子振荡的性质。今年，SBND探测器首次观测到中微子相互作用，为未来的研究提供了宝贵数据。
短基线中微子探测器合作项目庆祝了该探测器于 2024 年开始以 100% 电压运行的那一刻。今年，该探测器记录了其第一次中微子相互作用。图片来源：费米实验室 Dan Svoboda
费米实验室的国际短基线中微子计划(SBN)是一个旨在深入研究中微子特性和中微子振荡性质的重大项目。中微子是宇宙中一种神秘且难以捉摸的基本粒子，它们在粒子物理学和宇宙学中扮演着至关重要的角色。SBN计划通过三个探测器——短基线近探测器(SBND)、远探测器ICARUS以及第三台探测器MicroBooNE，共同对中微子进行更为详尽的研究。
SBND作为SBN计划的近探测器，经过近十年的规划、原型设计和建造，终于在2024年取得了重大进展。今年2月，SBND充满了液态氩，这种物质能够用来观察带电粒子留下的轨迹，从而帮助科学家们研究中微子的相互作用。几个月后，SBND探测器首次成功观测到了中微子相互作用，这标志着该探测器正式进入科学研究的阶段。
在未来几年里，合作双方将操作该探测器，分析数百万次中微子相互作用。由于SBND将观测到比任何其他同类探测器都要多的中微子，因此它所能提供的大数据样本将使研究人员能够以前所未有的精度研究中微子相互作用。这一研究成果不仅将深化我们对中微子这种基本粒子的理解，还将为未来使用液态氩探测中微子的实验(如DUNE)提供宝贵的信息和参考。
移动大型磁铁：今年，费米实验室的工作人员成功移动了多块大型磁铁，包括为Mu2e实验建造的超导螺线管磁铁和为大型强子对撞机高亮度升级贡献的四极磁体低温组件。这些磁铁的移动和组装为相关实验的进行提供了重要支持。
2 月，工作人员将第二块 Mu2e 磁铁移至 Mu2e 实验大厅。Mu2e 实验正在寻找介子可以转变为电子的证据。图片来源：Caitlyn Buongiorno，费米实验室
费米实验室是全球领先的粒子物理学研究中心，其科研项目涵盖了从基本粒子特性到宇宙起源的广泛领域。其中，Mu2e实验是该实验室正在进行的一项重要研究，旨在探索介子是否可以转变为电子，这一发现将可能揭示新物理学的存在。
为了实现这一目标，Mu2e实验需要一系列精密的设备，其中包括超导螺线管磁铁。今年2月，费米实验室的工作人员小心地将一块重达65,700磅的超导螺线管磁铁移动至实验园区。这是为Mu2e实验专门建造的磁铁，一旦组装到探测器中，它将产生一个低能介子束，指向铝靶，并在探测器区域提供恒定的磁场，使科学家能够准确确定产生的电子的动量。此前，该团队已于2023年12月移动了第一块Mu2e磁铁。
此外，费米实验室还积极参与其他重要实验项目。今年夏天，一种重量超过10万磅的重新利用的超导磁铁从伊利诺伊大学芝加哥分校被转移到费米实验室，用于未来的实验。
同时，费米实验室还为欧洲核子研究中心的大型强子对撞机高亮度升级做出了贡献。在深秋时节，费米实验室将其第二台四极磁体低温组件运往欧洲核子研究中心。这台磁体使用了先进的铌锡(Nb3Sn)磁体技术，能够强烈聚焦质子束并增加碰撞次数。费米实验室在这一领域的创新对于实现这些高场磁体至关重要。
加强量子信息科学领域的领导地位：费米实验室的超导量子材料与系统中心(SQMS)在量子信息科学领域取得了显著进展。今年，SQMS科学家和工程师在超导传输量子比特寿命方面取得了可重复的改进，并成功部署了超导量子比特在QUIET实验中。
该时间表展示了 SQMS 中心开发 2D transmon 量子比特和 3D 腔体平台的路线图。图片来源：Samantha Koch，费米实验室
QUIET实验中心投入运营：6月，名为“量子地下仪器实验测试台”的QUIET实验中心投入运营。该中心位于费米实验室地下100米处，为量子传感器和计算研究提供了独特的实验环境。
6 月，费米实验室庆祝了最新实验室 QUIET 的启用，该实验室位于地下一百米处。图片来源：费米实验室 Dan Svoboda
位于美国费米实验室的“量子地下仪器实验测试台”(QUIET)是一个专注于量子传感器和计算研究的新型研究中心，于今年6月正式投入运营。该中心位于费米实验室地下100米深处的一个区域，该区域之前曾是中微子实验的研究场所。其配套的地面实验室LOUD，在QUIET启用前已有一年多的运行经验。
QUIET与LOUD共同构建了一个独特的实验环境，通过量子传感器将地下深处不受宇宙射线和其他能量干扰的环境与地球表面环境进行比较，从而进行受控实验。这一研究环境为科学家提供了一个独特的平台，以深入探索量子传感器的性能和特性。
在10月，QUIET首次成功部署了超导量子比特。这一部署标志着实验室从基础设施开发阶段过渡到了独特的科学研究阶段。科学家们正利用QUIET来研究这些超导量子比特如何受到宇宙射线和其他高能粒子的影响，旨在构建新型、抗干扰的量子比特，或设计对干扰不敏感的量子比特。
此外，QUIET的研究成果不仅限于量子计算领域。该中心还可为一系列需要对环境具有超灵敏度的应用做出贡献，如暗物质探测等。这些研究对于推动量子科学的发展，以及解决宇宙学中的重大科学问题具有重要意义。
值得注意的是，QUIET和LOUD的研究得到了量子科学中心的资助，而费米实验室是该中心的主要创始成员之一。这一资助为QUIET和LOUD的研究提供了必要的资源和支持，推动了量子科学领域的创新和发展。
进一步了解暗能量和宇宙：费米实验室的研究人员在天体物理学领域也取得了重要进展。他们继续揭示宇宙中暗能量等谜团，并领导了暗能量调查等国际合作项目。同时，暗能量光谱仪(DESI)也公布了首批结果，为暗能量的研究提供了重要数据。
今年 1 月，暗能量调查合作组织公布了一项前所未有的分析结果，该分析使用同样的技术进一步探究暗能量和宇宙膨胀的奥秘。这张图片是 DES 发现的一颗超新星的一个例子。图片来源：DES 合作组织
费米实验室研究领域不仅限于粒子物理学，天体物理学同样是其重要组成部分。2024年，费米实验室的研究人员在天体物理学领域取得了显著成果，继续揭示宇宙中一些最大的谜团，特别是关于暗能量的研究。
暗能量是宇宙中一种神秘的实体，占据了宇宙总质量的约70%，但其本质和性质至今仍然未知。为了深入了解暗能量，费米实验室的科学家领导了一项名为“暗能量调查”(DES)的国际合作项目。该项目由400多名来自世界各地的天体物理学家、天文学家和宇宙学家共同参与，致力于通过观测和分析宇宙中的天文现象，揭示暗能量的性质和影响。
在2024年，DES项目取得了两项重要成果。今年1月，DES超新星调查团队宣布了他们获得的宇宙膨胀的最强约束，这一成果对于理解宇宙的演化历史具有重要意义。一个月后，DES合作团队又发布了一种新的宇宙距离测量方法，该方法支持了宇宙加速膨胀的标准模型，进一步验证了我们对宇宙演化的理解。
除了DES项目外，费米实验室还参与了另一项重要的天体物理学研究——暗能量光谱仪(DESI)项目。DESI项目通过位于基特峰国家天文台的望远镜，收集了大约3000万个星系的光，并利用这些数据绘制了我们宇宙最广泛的3D地图。在第一年的数据中，DESI合作团队已经进行了世界领先的暗能量测量，并绘制了近600万个星系在110亿年的宇宙历史中如何聚集的图像，这与爱因斯坦广义相对论的预测相符。
费米实验室在DESI项目中发挥了关键作用，为项目提供了多个关键元素，包括用于数据采集的在线数据库、用于控制机器人定位器的软件、校正筒、六足动物和笼子等。
先进新兴技术将造福物理学及其他领域：费米实验室对研究和技术开发的贡献不仅限于物理学领域。今年，费米实验室的科学家与多家公司合作，成功证明了电子束可以破坏PFAS等有害化学物质，并建造了用于医疗设备消毒的X射线加速器原型。此外，费米实验室还获得了多项联邦拨款，用于开发新兴技术。
费米实验室科学家 Slavica Grdanovska(左)和 Charles Thangaraj 站在传导冷却低温恒温器旁，该恒温器内装有用于工业电子束应用的超导加速器技术。图片来源：Tom Nicol，费米实验室
费米实验室研究和技术开发的贡献不仅局限于物理学领域，还广泛涉及环境保护、医疗设备消毒、新兴技术开发以及量子科学等多个方面。
在环境保护方面，费米实验室与3M公司合作，成功证明了电子束技术可以有效破坏PFAS这类难以分解并在环境和人体中积累的有害化学物质。此外，费米实验室还在建造一个原型电子束加速器，旨在制造用于医疗设备消毒的X射线。这项技术有望为医疗设备消毒行业带来革命性的变化，解决当前消毒技术中可能存在的安全问题。
在技术开发方面，费米实验室的研究人员获得了美国能源部“加速创新”计划的资助，用于开发超导纳米线单光子探测器、3D集成传感解决方案和紧凑型超导射频电子束加速器技术等三种新兴技术。同时，费米实验室还与加州RadiaBeam Technologies合作，利用其在低温模块设计和传导冷却方面的专业知识，帮助设计和组装传导冷却低温模块，推动超导工业加速器市场的发展。
在量子科学领域，费米实验室的科学家展示了使用专门量子技术刺激光子产生、提高灵敏度和降低噪音的能力，这项研究对于探测暗物质发出的微弱信号具有重要意义。此外，费米实验室工程师还宣布推出量子仪器控制套件的新配套产品QICK盒，这是量子科学中心支持的开源控制和读出系统的一部分。QICK盒能够优化读取存储在量子比特中的信息的能力，从而提高量子系统的性能。该团队还推出了QICK 2.0版，包含更新的软件和固件。
改善校园环境和交通：今年，费米实验室的校园环境也得到了显著改善。新的综合工程研究中心以其环保可持续的设计获得了多项奖项。同时，费米实验室还重新向公众开放，并推出了新的接待和访问中心建设项目，以改善校园交通和方便公众参观。
2024 年，工作人员开始建造费米实验室的新接待中心，预计于 2025 年秋季开放。新的费米实验室接待和访问中心位于松树街费米实验室主入口附近，将兼具信息和行政功能，以便更顺畅地处理和访问该站点。图片来源：Ryan Postel，费米实验室
费米实验室(Fermilab)是美国最重要的物理学研究中心之一，隶属于美国能源部，并由芝加哥大学和大学研究协会负责运作。它始建于1967年，位于美国伊利诺斯州巴达维亚附近的草原上，以1938年诺贝尔物理学奖得主恩利克·费米的名字命名。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，并致力于高能物理学和粒子物理学的研究，曾发现顶夸克等基本粒子，为探索物质、空间和时间的奥秘做出了重要贡献。
