Laboratorio Jefferson

El Centro Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson ( TJNAF ), o JLab para abreviar, es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos ubicado en Newport News, Virginia . ^{[ 1 ]}

Desde el 1 de junio de 2026, la instalación ha sido operada por SURATech, LLC. El equipo de SURATech, LLC está compuesto por dos entidades miembros: Southeastern Universities Research Association , Inc. y Virginia Polytechnic Institute and State University, y cuatro subcontratistas principales: Honeywell International, Inc., Longenecker and Associates, Inc., Akima Support Operations y AtkinsRéalis. ^{[ 2 ]} Desde el 1 de junio de 2006, fue operada por Jefferson Science Associates, LLC, una sociedad de responsabilidad limitada creada por Southeastern Universities Research Association y PAE Applied Technologies. En 2021, Jefferson Science Association se convirtió en una subsidiaria de propiedad total de Southeastern Universities Research Association.

Hasta 1996, TJNAF era conocido como la Instalación de Aceleración de Haz de Electrones Continuo (CEBAF); comúnmente, este nombre todavía se usa para el acelerador principal. Fundado en 1984, el Laboratorio Jefferson emplea a más de 750 personas, y más de 2000 científicos de todo el mundo han realizado investigaciones utilizando la instalación. ^{[ 3 ]}

La instalación se estableció en 1984 (con financiación inicial del Departamento de Energía ) como la Instalación de Aceleración de Haz de Electrones Continuo (CEBAF) por la Asociación de Investigación de Universidades del Sureste; el nombre se cambió a Instalación Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson en 1996. El Congreso de los Estados Unidos aprobó la financiación completa 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 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 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, se iniciaron los planes para una actualización energética a un haz de electrones de 12 GeV y la construcción de una cuarta sala experimental. Los planes avanzaron a través de varias etapas de decisión crítica del Departamento de Energía (DOE) durante la década de 2000, con la aceptación final del DOE en 2008 y el inicio de la construcción de la actualización a 12 GeV en 2009. El 18 de mayo de 2012, el acelerador CEBAF original de 6 GeV se apagó para el reemplazo de los componentes del acelerador para la actualización a 12 GeV. Se completaron 178 experimentos con el CEBAF original. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Además del acelerador, el laboratorio alberga un láser de electrones libres (FEL). La construcción del FEL comenzó el 11 de junio de 1996 y alcanzó su primera emisión el 17 de junio de 1998. Desde entonces, el FEL ha sido actualizado en numerosas ocasiones, aumentando sustancialmente su potencia y capacidades.

El Laboratorio Jefferson también participó en la construcción de la Fuente de Neutrones por Espalación (SNS) en Oak Ridge y su modernización, así como en el Colisionador de Iones y Electrones del Laboratorio Nacional de Brookhaven. Jefferson fabrica aceleradores superconductores y sistemas de refrigeración de helio para los aceleradores del Departamento de Energía (DOE) en todo el complejo del laboratorio nacional.

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 radiofrecuencia superconductores de 1400 m (7/8 de milla) de longitud, conectados entre sí por dos secciones en 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 una energía de diseño de 4 GeV antes de alcanzar una "energía de diseño mejorada" de 6 GeV en 2000; desde entonces, la instalación se ha actualizado a una energía de 12 GeV). Esto da como resultado un diseño que se asemeja a una pista de carreras en comparación con los aceleradores clásicos en forma de anillo que se encuentran en sitios como el CERN o Fermilab . En efecto, CEBAF es un acelerador lineal , similar al SLAC de Stanford , que se ha plegado hasta una décima parte de su longitud normal. 

El diseño de CEBAF permite que el haz de electrones sea continuo en lugar del haz pulsado típico de los aceleradores en forma de anillo. (Existe cierta estructura en el haz, pero los pulsos son mucho más cortos y están más próximos entre sí). El haz de electrones se dirige a cuatro blancos potenciales (véase más abajo). Una de las características distintivas del Laboratorio Jefferson es la naturaleza continua del haz de electrones, con una duración de paquete inferior a 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 de energía más eficiente 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 bajo la superficie terrestre, 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 blanco fijo. Esto permite a los físicos estudiar la estructura del núcleo atómico , específicamente la interacción de los quarks que componen los protones y neutrones del núcleo.

Con cada vuelta alrededor del acelerador, el haz pasa a través de cada uno de los dos aceleradores lineales (LINAC) , pero a través de un conjunto diferente de imanes deflectores que forman arcos semicirculares en los extremos de los aceleradores. Los electrones realizan hasta cinco pasadas a través de los aceleradores lineales.

Cuando un electrón del haz impacta un núcleo del blanco, se produce una interacción o evento que dispersa partículas en la sala. Cada sala contiene una matriz de detectores de partículas que registran las propiedades físicas de las partículas generadas por el evento. Los detectores generan pulsos eléctricos que se convierten en valores digitales mediante convertidores analógico-digitales (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 los fenómenos físicos ocurridos. El sistema de electrónica y computadoras que realiza esta tarea se denomina sistema de adquisición de datos .

El Laboratorio Jefferson lleva a cabo un amplio programa de investigación que utiliza la interacción electromagnética para estudiar 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. ^{[ 11 ]} Las principales herramientas son la dispersión de electrones y la creación y el uso de fotones reales de alta energía. Además, tanto los haces de electrones como los de fotones pueden polarizarse en gran medida, lo que permite explorar los denominados grados de libertad de espín en las investigaciones.

Las cuatro salas experimentales tienen objetivos de investigación distintos pero que se superponen, pero con instrumentación única para cada una.

JLab alberga el láser de electrones libres sintonizable más potente del mundo , con una potencia de salida de más de 14 kilovatios .

Dado que CEBAF cuenta con tres experimentos complementarios que se ejecutan simultáneamente, se decidió que los tres sistemas de adquisición de datos debían ser lo más similares posible, para que los físicos que se desplazaran de un experimento a otro encontraran un entorno familiar. Con este fin, se contrató a un grupo de físicos especialistas para formar un grupo de desarrollo de adquisición de datos con el objetivo de desarrollar un sistema común para las tres salas. El resultado fue CODA , el sistema de adquisición de datos en línea de CEBAF . ^{[ 12 ]}

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 convertidor analógico-digital (ADC), el convertidor tiempo-digital (TDC) y otros componentes electrónicos digitales se encuentran en grandes placas de circuito impreso con conectores en el borde frontal para la entrada y salida de señales digitales, y un conector en el borde posterior que se enchufa a un plano posterior . Un conjunto de placas se conecta a un chasis , o " caja ", que proporciona soporte físico, alimentación y refrigeración para las placas y el plano posterior. Esta disposición permite integrar en un solo chasis componentes electrónicos capaces de digitalizar cientos de canales.

En el sistema CODA, cada chasis contiene una placa que actúa como controlador inteligente para el resto del chasis. Esta placa, denominada controlador de lectura (ROC), configura cada una de las placas digitalizadoras al recibir los datos, los lee y los formatea para su posterior análisis.

Las siguientes personas se desempeñaron como director de la Instalación Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson: ^{[ 13 ]}

• efecto EMC

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