機構簡介
實驗室地址衛星圖美國能源部費米國家加速器實驗室 （Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory），位於芝加哥以西的巴達維亞，創建於1967年，於1974年5月建成。它以著名的美國物理學家費米命名,擁有目前世界最大的質子加速器,是世界上從事高能物理研究的第一流實驗室之一。 隸屬於能源部，位於伊利諾州巴達維亞附近的草原上。從1983年開始，實驗室的科學家們一直在用萬億電子伏特加速器創建亞原子粒子間的撞碰，他們希望這些神奇的碰撞軌跡有助於他們揭示出物質的基本構成，1995年，他們發現了一個基本粒子——頂夸克，他們最終的目標是發現希格斯玻色子。他們經歷過一場危機。與歐洲粒子物理實驗室的大型強子對撞機相比，費米實驗室的萬億電子伏特加速器已經遜色，他們希望建造能量更大的機器，如國際直線加速器（ILC）。
歷史
實驗室地址衛星圖美國費米國家加速器實驗室原名為國家加速器實驗室（National Accelerator Laboratory），根據美國總統林頓·貝恩斯·詹森1967年11月21日簽署的法案建立，由當時的美國原子能委員會AEC負責管理。創建該所的R·威爾遜（Robert R.Wilson）所長為該所建立的嚴格原則是：傑出的科學、藝術的瑰麗、土地的守護神、經費上精打細算和機會均等。
美國原子能委員會AEC從200多個建議中，選擇美國中部伊利諾州芝加哥市以西30英里處韋斯頓（Weston）的巴達維亞（Batavia）作為費米實驗室的建設地點。費米實驗室所占6800英畝的場地原為農田，原有的一些穀倉至今仍在使用，有的用作倉庫，有的用於社交活動。
美國費米國家加速器實驗室鳥瞰圖1974年，美國國會撤銷原子能委員會AEC，成立了核管理委員會NRC與能源研究與開發局ERDA。1977年，美國國會組建了能源部DOE，ERDA併入DOE。費米實驗室歸屬DOE，由美國大學研究協會URA（Universities Research Association）負責運作。
1974年5月11日，該實驗室被命名為費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory，FNAL），簡稱費米實驗室（Fermilab）。E·費米（Enrico Fermi，1901-1954）是原子時代卓越的物理學家，1938年獲諾貝爾物理學獎，以表彰他發現新的放射性物質和發現慢中子的選擇能力。
獲獎
1、1973年Robert R. Wilson獲得國家科學獎章；
2、1986年Stanley Livingston獲得Enrico Fermi獎；
3、1984年12月Robert R. Wilson獲得Enrico Fermi獎；
4、1988年10月19日Leon Lederman為1988年諾貝爾物理獎三個獲得者之一；
5、1989年10月18日Helen Edwards, Dick Lundy, Rich Orr和Alvin Tollestrup因在建造萬億電子伏特加速器中的工作獲得國家技術獎章；
6、1992年6月Leon Lederman獲得Enrico Fermi獎。
特點
實驗室路標費米國家實驗室的“TEV能級加速器(Tevatron)”是目前世界上能量最高的超級粒子同步回旋加速器，是人類歷史上最大的物理實驗裝置之一。Tevatron耗資數億美元，它的周長約為6．4公里因此他的直徑大約為2公里。
發展
費米實驗室位置示意圖費米實驗室是美國最大的高能物理研究實驗室，在世界上僅次於歐洲核子研究中心CERN。
費米實驗室的目標是探索自然界最微小的部分——存在於原子中的世界，了解宇宙是如何形成和運轉的，提高人類對物質和能量的基本屬性的理解。
為開展高能物理的前沿和相關學科的研究，費米實驗室建造和運行高能物理學家需要進行前沿研究的設施，並為未來的實驗開發新的加速器技術。費米實驗室擁有2100多名雇員，年度預算為3.07億美元。
來自美國和世界各地的高校和實驗室約2500個科研用戶在費米實驗室開展它們的研究。幾十年來費米實驗室獲得了多項研究成果，並帶動了相關技術的發展。
實驗設施
費米實驗室的威爾遜樓和湖泊高能物理研究的主要工具是加速器，特別是對撞機，讓反向旋轉的粒子束流在對撞機中對撞。在美國，最高能量的對撞機就是費米實驗室的萬億電子伏特加速器Tevatron，在歐洲核子中心CERN的大型強子對撞機LHC建成之前，Tevatron是世界上最大的加速器。由於實驗的性質，高能物理學家們要進行研究，必須與像費米實驗室這樣大的實驗室進行合作。
1、萬億電子伏特加速器Tevatron
Tevatron是世界上最強大的質子反質子對撞機，它將質子和反質子束流沿著4英里的周長加速到光束的99.99999954%。這兩個束流在位於束流管道兩個不同位置的2個5000噸的探測器（CDF、D0）中心對撞，以研究宇宙早期的情形，探查物質在最小尺度的結構；束流還引入到固定靶產生中微子束流用來開展研究。
Tevatron隧道Tevatron位於地面25英尺以下。在該加速器內，粒子束流穿過一個大部分由超導磁鐵環繞的真空管道。各類磁鐵的組合使束流按大的圓形彎轉。Tevatron共有1000多塊超導磁鐵。超導磁鐵比常規磁鐵產生更強的磁場，工作在華氏－450度，磁鐵內的電纜沒有電阻，傳導大量的電流。特大的磁力可將粒子加速到更高的能量。
（1）加速器鏈
Tevatron的加速器鏈Tevatron由多級加速器組成：750keV的預注入器、200MeV的直線加速器、8GeV的增強器和500GeV的主加速器。
預注入器：預注入器也叫高壓倍加器，是用來產生質子束流的低能強流加速器。質子從這裡開始加速，把從離子源中引出的負氫離子加速到750keV。
預注入器直線加速器：直線加速器是產生帶負電的氫離子是產生質子和反質子束流的第一步。費米實驗室的第一個直線加速器建於1971年，最初加速粒子高達200 MeV。1993年進行了升級，由9個加速節組成，長約500英尺，可將預注入器中產生的帶負電的離子加速到400 MeV，或大約光束的70%。束流從直線加速器出來，經中能輸運段進入增強器。
增強器：位於地下約20英尺的增強器是一個環型加速器，進入增強器的離子要穿過碳箔，碳箔從氫離子中去掉電子，產生帶正電子的質子。增強器利用磁鐵使質子束流在圓形軌道中彎轉，圍繞增強器運行20000次。每一圈中它們都在高頻腔中經歷一個來自電場的加速力，這使得到加速周期結束時將質子的能量加速到8GeV，然後引出束流向主加速器注入。
主注入器：主注入器1999年竣工，有以下功能：（1）將質子從8 GeV加速到150 GeV；（2）產生120 GeV質子，用於反質子的產生；（3）從反質子源接收反質子並把它們的能量提高到150 GeV；（4）將質子和反質子注入Tevatron。
直線加速器反質子源：為產生反質子，主注入器把120 GeV的質子送到反質子源，質子與鎳靶對撞，產生範圍很廣的次級粒子，包括許多反質子。反質子被收集，聚焦後存在儲存環內，並對它們進行累積和冷卻。當產生足夠數量的反質子後，它們被送到返航器再進行冷卻和累積，然後注入Tevatron。
Tevatron：接收從主注入器來的150 GeV的質子與反質子，並將其幾乎加速到1000 GeV。質子與反質子按相反的方向在Tevatron里運轉，速度每小時僅比光速慢200英里。質子與反質子束流在Tevatron隧道中的CDF和D0探測器的中心部分發生對撞，爆發式地產生新粒子。
（2）探測裝置
固定靶：
增強器三條光束線將質子從主注入器傳送到中微子靶。這個區域的束流也測試探測器，並進行不涉及中微子的固定靶實驗。將各種材料的樣品放入光束線中，研究各種類型的粒子和它們的相互作用。利用這些裝置，物理學家們在1977年6月30日發現底夸克和2000年Donut實驗探測到t中微子。
CDF與D0探測器：
主注入器（下部）與返航器（上部）CDF與D0探測器是物理學家們在Tevatron上用來觀測質子和反質子之間對撞的兩個探測器。探測器大如三層樓房，每個探測器都有許多探測分系統，這些分系統識別來自幾乎在光速發生對撞所產生的不同類型的粒子。通過分析這些“碎片”，探究物質的結構、空間和時間。質子反質子在CDF和Do探測器中心每秒發生200多萬次的對撞，產生大量的新粒子。對於有趣的事例，探測器記錄每個粒子的飛行軌道、能量、動量和電荷。物理學家們倒班工作，一天24小時地監測探測器的運行情況。
建設歷程
固定靶實驗區域
固定靶實驗示意圖1968年12月1日，費米實驗室的直線加速器破土動工；1969年10月3日主環（200 GeV的質子加速器）破土動工。1972年3月1日第一個能量為200 GeV的束流通過主環，使費米實驗室產生了世界上最高能量的粒子。1972年12月14日主環能量倍增到400 GeV。1978年，為進一步提高粒子的能量，費米實驗室決定建造體積更大、功能更強的大型對撞機，先集中技術力量，將主環的能量提高至1兆電子伏特。1981年，主環創造400 GeV時3 x1013 質子/脈衝的世界紀錄。1983年7月，產生了世界上第一個能量為512 GeV的束流（當時命名為能量倍增器Energy Doubler）。
1983年8月16日，反質子源破土動工，準備耗資1.2億美元建造世界上能量最高的粒子加速器——質子反質子對撞機Tevatron。Tevatron的1000塊超導磁鐵由液氦冷卻，使溫度達到攝氏零下268度，其低溫冷卻系統為當時加速器歷史上最大的低溫系統。
CDF與D0探測器位置示意圖1984年2月，能量倍增器產生了第一個能量為800 GeV的束流。1985年10月13日，CDF探測器在質心能量1.6 TeV時首次觀測到質子反質子對撞。1986年10月20日能量倍增器產生第一個能量為900 GeV的束流。Tevatron成為世界最高能量的質子-反質子對撞機。
1992年，D0探測器開始調試。為增加質子反質子的對撞次數Tevatron開始第一次升級改造，稱為Tevatron-II，在原2公里隧道外新建一個能量為150 GeV的常規磁鐵環作為新的注入器，亮度提高10倍。目標是尋找希格斯粒子，如果理論學家的預言是正確的，那么這將有助於解釋為什麼宇宙中的萬物都有質量。
1993年5月22日主注入器加速器破土動工。1993年9月4日，新的400 MeV直線加速器調試完成。1995年，創造了高能質子反質子粒子對撞次數的世界紀錄。
CDF探測器 1996年，Tevatron第一次升級改造完成，向CDF和D0傳送180 pb-1，實驗觀測到了反氫原子。1997年，為固定靶實驗2.86E13傳送創記錄的流強800 GeV 束流；主環加速器關閉並進行拆除。
1999年，主注入器落成。2000年，固定靶項目結束，為43個實驗提供束流。大型探測器CDF和DO進行了改進，為新的重大發現和開展新的物理工作奠定基礎。
2001年，Tevatron第二次升級開始。2004年，加速器的峰值亮度達到1X1032cm-2s-1。2005年，積分亮度達到1fb-1；首次在再循環環中觀測到電子冷卻反質子。2006年，反質子源聚積率首次超過20mA/小時。2008年峰值亮度超過3X1032cm-2s-1；在單個一周內傳送50pb-1。
D0探測器2011年1月11日，費米實驗室宣布Tevatron於2011年9月關閉。
對撞機
超大型強子對撞機
VLHC低磁場測試費米實驗室正在分兩個階段進行超大型強子對撞機的設計研究。第一個階段，利用放在大周長隧道中的堅固超鐵氧體磁鐵，該對撞機的對撞能量達到40 TeV，亮度與西歐中心大型強子對撞機LHC的亮度一樣。第一階段的潛在科學目標完全實現後開始第二階段的工作。在同一隧道中安裝上高磁場磁鐵，對撞能量至少達到175 TeV。
為達到所需能量，第一個階段所用的低場磁鐵需要233公里長的隧道。雖然建造這樣長的隧道面臨工程量大、管理和公眾接受的挑戰，在技術上似乎沒有什麼不可能在大約6年時間裡建成的理由，以便開始建造10年後對機器進行調試。磁鐵簡單設計的固有特性大大減少了支撐子系統的規模和複雜性：低溫負載與現在的Tevatron相同；優良的注入場品質導致好的動態孔徑及磁場中低的電感和存儲的低能大大簡化了電源系統。所有這些因數加在一起，降低了技術部件的造價和複雜性，彌補了建造長隧道所需要的費用。據估計，該對撞機的總造價與最近剛對TESLA設計中的500 GeV的直線電子對撞機的估算造價相同。
μ子對撞機
μ子對撞機μ子對撞機整套裝置包括幾台機器和許多不同的部件。為產生大量μ介子，利用強流質子加速器將質子引入靶。對撞產生稱為p介子的短壽命粒子。在50米內，p介子衰變成為μ介子和稱為中微子的中性粒子。μ介子的能量約為200 MeV。
磁鐵使μ介子進入和通過一組高頻腔。腔內的電場提高慢繆介子的能量，降低快μ介子的能量，從而減少它們的能散度，使連續μ介子流轉換成為單個束團。在這一階段，μ介子束團的尺寸仍然很大，當μ介子向稍微不同的方向運行時，束流仍然發散。
科學家正在開發電離散熱通道，以減少μ介子束的橫向尺寸。這些渠道減少粒子的橫向速度和產生非常亮的聚焦束流，隨時被加速到很高的能量。
μ子對撞機示意圖高頻腔是一個將μ介子加速到高能量的快速有效方法。每個腔形似拉成一條直線的珍珠項鍊。穿過這串珍珠或單元，是一個在正負之間振盪的電場。該振盪定時從單元到單元推拉帶電粒子。
一旦μ介子達到它們的最終能量，它們便被注入到μ子對撞機。帶正電荷的介子按一個方向穿過對撞機環，帶負電荷的μ介子按相反方向運行。磁鐵將粒子引到位於大型對撞探測器中心的對撞點。沒有對撞的μ介子繼續沿環運行，並在一轉眼的功夫返回到碰撞點。
開創性加速器試驗裝置
開創性加速器費米實驗室正在利用通過美國復甦與再投資法案得到的5270萬美元的資金推進其超導高頻研發項目，包括建造超導高頻加速器試驗裝置。建造的I期工程始於2010年3月，用280億美元擴建現有的建築。II期工程投入420億美元，用於建造兩個新的建築物。通過美國復甦與再投資法案得到的另外的資金用於運行建築所需要的設備和基礎設施。費米實驗室利用這一裝置測試超導高頻部件和驗證美國工業界賣方的加工能力。開創性試驗裝置的II期工程已經開始，以推進對下一代粒子加速器至關重要的技術。
費米實驗室計畫參與採用超導高頻技術的加速器建造。建造這個新的超導高頻試驗裝置是向前邁出的重要一步。這些結構在稱為低溫模組的罐內運行，使腔冷卻到華氏-456度，可在零電阻情況下傳導電流。計畫利用這一裝置來測試為所提出的兩個未來粒子加速器而設計的低溫模組。科學家還將利用粒子束加速器產生的粒子束流，開發和設計更好的工具和先進的加速器技術，使它們在許多領域，包括醫學和工業得到套用。
合作項目
（1）LHC加速器項目
工作項目1997年美國和歐洲官員簽署美國參加大型強子對撞機的協定，負責設計和加工二分之一的MQX內超導三透鏡組，設計和最後安裝所有MQX磁鐵，有關的校正磁鐵和吸收體，並將儀器安裝在低溫恆溫箱中。費米實驗室的任務包括加速器物理計算，藉以支持內三透鏡組的設計，對這些磁鐵的最終技術要求及系統集成提供意見。
（2）直線對撞機
美國SLAC，日本KEK和德國DESY都在開展未來直線對撞機的研究。費米實驗室系SLAC的NLC和德國DESY的TESLA合作組的成員。2000年TESLA國際合作組向德國政府報告了TESLA設計報告，費米實驗室領導一組美國實驗室對設計報告的費用基礎進行了分析。2001年NLC合作組對原理上主直線加速器高頻迴路所需基本部件進行了論證。費米實驗室負責加工高頻結構及領導支撐主直線加速器高頻結構的支架預製研究。它從事整個直線對撞機中可採用的可調永久磁鐵預製研究工作，還在土建和束流物理方面提供專門知識，是美國大力推動的在加速器方面開展直線對撞機預製研究的中心之一。
費米實驗室對撞機物理組的任務是：對直線對撞機物理及其所需直線對撞機參數進行評估，弄清在大型強子對撞機時代直線對撞機對世界高能物理的貢獻。
相關實驗
NuMi Turnel Project費米實驗室的研究集中在當代粒子物理以下幾個主要問題上：為什麼粒子具有質量；中微子質量是否來自不同的源；夸克與輕子的真正本質是什麼；為何有三代基本粒子；真正意義上的基本的力是什麼；如何將粒子物理和量子引力融合在一起；物質與反物質有何區別；把宇宙組合在一起的暗物質是什麼；什麼是促使宇宙膨脹的暗能量；在已知道的維數之外，是否還有隱藏的維數；地球是多維廣義宇宙的一部分嗎；宇宙是由什麼組成的及宇宙是如何運作的？
實驗室鳥瞰圖未來幾年在粒子物理上的發現將改變粒子物理的研究方向，而這些發現的最佳機遇則可能存在於費米實驗室所開展的以下實驗中：
高能物理實驗
（1）CDF實驗
Tevatron將質子和反質子加速到接近光速，然後讓它們在CDF探測器中發生對撞。CDF探測器被用來研究質子與反質子發生對撞的產物。這樣做旨在試圖重建對撞中所發生的現象，最終了解物質是怎樣組合在一起的，自然界利用什麼力創造了我們周圍的世界。
1985年10月13日，在質心能量1.6 TeV時首次觀測到質子反質子對撞。
1994年4月26日，找到了頂夸克存在的直接證據。
1995年3月，CDF組和D0組在176 GeV的能量上發現了頂夸克，如此大的質量，出乎物理學家的預料。
1998年3月，CDF組發現Bc介子。
2005年，發現Bs 物質－反物質振盪：3萬億次/秒；發現b重子（u-u-b和d-d-b）。
2007年，CDF宣布通過單個實驗對W波色子質量的最精確測量結果。
MINOS遠程探測器2007年，發現b重子（d-s-b夸克組合）。
2008年發現產生ZZ雙波色子。
D0實驗
D0探測器是1983年提出建造的，1984年獲得批准。經過8年設計、研究、硬體及軟體的建造與調試，於1992年5月12日第一次正式記錄正-反質子相互作用，開始運行取數。
D0探測器長約19.8米，高和寬12.2米，重5500噸，超過12萬道電子學信號。建造時由氣體徑跡室（頂點探測器、漂移室）、穿越輻射探測器、液Ar量能器、μ室、電子學及計算機軟體、環形磁鐵等組成，用以研究底夸克、量子色動力學、新物理現象及頂夸克的尋找等。
1994年4月，CDF組表示已有頂夸克存在的證據，但取數較晚的D0組認為尚未有足夠的證據。1995年2月24日，D0組和CDF組同時交出論文，宣布發現頂夸克。1995年3月2日下午1點，費米實驗室這兩大實驗組舉行正式招待會，宣布頂夸克的發現。這是國際高能物理界的一件大事。
MiniBooNE位置圖1995年3月8日，美國費米實驗室所長John Peoples教授寫信給中國科學院高能物理研究所所長，對高能物理所派往費米實驗室的人員在發現頂夸克中作出的貢獻表示感謝。信中寫到：“十五年來，費米實驗室和高能物理所之間的合作一直很重要。3月2日，CDF組和D0組宣布發現了頂夸克，即我們尋找了很久的這組基本粒子中的最後一種。在報告這一發現的D0組中，來自中國科學院高能物理研究所的科學家們有很突出的功勞。”
高能物理所與費米實驗室D0組的合作由1989年起最初的民間協作，後正式列入中美高能協作協定，高能物理所陸續派出30餘人年參加了D0組的合作研究。主要參加了μ探測器的建造、蒙特卡洛計算、矽探測器、光纖徑跡室、線上程式、數據處理和部分物理分析工作。在D0組宣布發現頂夸克的文章中，高能物理所的8位訪問學者參加了署名，列入了發現頂夸克的貢獻者名單之中。但遺憾的是，在這世界最前沿最重大的發現之中，沒能掛出中國國旗和亮出中國高能物理所的名稱，8個人只能列在美國FNAL名下。D0組一直希望與高能物理所的協作能前進一步，成為有國名、所名的正式協作者。前提是，要有一定經費的支持，使其在國內也能為D0作一定工作，並能有維持雙方學術交流所需的經費。1999年高能物理所D0合作組取得了最重要的進展，得到國家自然科學基金的支持，成為D0國際合作組的正式參加國，國旗及所名已正式列入D0國際合作組。
D0探測器的改進升級包括：矽條探測器、光纖徑跡室、超導磁鐵、μ前向探測器等高新探測器及技術將加入或替代探測器中舊的部分，2001年3月開始正式取數。新的D0探測器進行頂夸克的進一步研究、Higgs玻色子的尋找以及其它高能物理界的一些前沿課題研究。
MiniBooNE探測器示意圖D0組成為由來自15個國家、60個大學或研究所的500多名科學家和工程師組成的大型國際合作組。
2009年，D0組發現產生單個頂夸克；D0組宣布W波色子質量的最佳測量結果；發現新的夸克結構，命名為Y（4140）。
MINOS實驗
主注入器中微子震盪尋找MINOS（Main Injector Neutrino Oscillation Search）是費米實驗室NuMI中微子研究計畫中的第二個實驗。
NuMI計畫是利用費米實驗室Tevatron對撞機120GeV的主注入器向360米外的靶發射質子束流，靶上產生的次級p介子和K介子在飛行中衰變形成中微子束流。NuMI的第一個實驗是COSMOS（Cosmological1y Significant Mass Oscillation Search），它安裝在中微子靶前方的一公里處，用核乳膠來探測μ中微子振盪所產生的τ輕子。
MINOS的位置在中微子靶更前方的735公里——明尼蘇達州蘇丹（Soudan）礦井700米深的地下。這兩個實驗是在兩個點上對同一中微子束流的特性進行對比，探測中微子是否已經變成另外一種，也就是τ中微子。
MINOS實驗又稱長基線實驗，利用費米實驗室中微子主注入器工程建造的設備，尋找具有極小質量被稱為中微子的存在的證據。
費米實驗室的主注入器作為MINOS實驗的中微子源，實驗的長基線從這裡開始，探測器放在735公里之外的明尼蘇達州北部原蘇丹鐵礦里。
參加MINOS實驗的科學家們對從費米實驗室出來的中微子和到達蘇丹鐵礦中的探測器的中微子的特性進行測量和比較。這兩個探測器中中微子相互作用的特點之別提供不同類型的中微子震盪的證據，因此得出中微子質量。
蘇丹鐵礦已開採一個世紀之久，現在已成為一個旅遊景點。礦洞上方的岩石對宇宙線起著禁止作用，只有中微子和少數能量很高的宇宙線μ子可以穿透到地下這一深度。1981年蘇丹礦井就已成為尋找質子衰變的30噸重的探測器的安放地。多年以後，當初的尋找質子衰變的動機也逐步擴展到中微子物理，攔截外層空間的中微子或大氣中宇宙線相互作用所產生的中微子。1993年建成了1000噸的Soudan2探測器。
MINOS是由中、美、英、俄二十多個研究單位近200位科學家組成的大型國際合作項目。他們長期從事中微子研究，並在從事中微子實驗二十多年的費米實驗室利用已有的中微子束等實驗條件加以改進、組成這個新的實驗。
1999年位於明尼蘇達州蘇丹的MINOS探測器破土動工。MINOS探測器安裝在與Soudan2探測器相鄰的山洞中，總重10000噸、總長50米，用厚4厘米、對徑8米正八邊形的磁化鐵吸收體板與交替擺放的徑跡室做成，能對μ子和強子以及中微子相互作用中產生的電磁簇射進行很好的能量測量和模式辨認。2003年，遠處的MINOS探測器開始取帶宇宙線的數據，開始尋找低溫暗物質。2005年第一個中子束流從費米實驗室傳送到明尼蘇達。2006年MINOS組報告Dm2的第一次測量結果。
MiniBooNE實驗
該實驗通過尋找中微子震盪來測量中微子質量。中微子的質量很重要，因為它可使科學家們發現超出標準模型的物理。MiniBooNE實驗可獲得的質量，將增加對宇宙是如何演變的了解。
MiniBooNE實驗於1998年獲得批准。MiniBooNE探測器放在距離μ介子中微子生成點約500米的地方，其任務是尋找μ介子中微子產生的電子中微子。iniBooNE使用1個裝滿800噸超純度礦物油的直徑12米的罐形油箱，至今這些礦物油比水還清澈。油箱內裝有一個由1280個8英寸光電倍增管組成的感光層，可探測到中微子與油箱內的油分子碳原子核之間的碰撞情況，每年能記錄1百萬個中微子事件。2002年11月探測到第一批束流感應中微子事例。
MiniBooNE實驗觀察到的中微子信號2007年4月11日MiniBooNE實驗公布了首次發現，實驗的觀測結果解決了困擾中微子物理界10多年的難題，即20世紀90年代液體閃爍器中微子探測器（LSND）觀測實驗時提出的難題，那次觀測似乎同全球其它地區中微子實驗的觀測結果相矛盾。MiniBooNE實驗最終確定：LSND的觀測結果不能歸因於簡單的中微子擺動效應。所謂的中微子擺動效應是一種中微子轉換現象，即一種類型的中微子轉變為別一種類型的中微子，然後又恢復為原來的類型。儘管MiniBooNE實驗果斷排除了LSND觀測結果的解釋，但還有很多工作要做，需進一步分析他們的數據。
2006年1月起，MiniBooNE利用反中微子光束採集數據，期待從這些新數據中得出更多的結果。
SciBooNE示意圖費米實驗室最新的中微子實驗稱為SciBooNE，它與MiniBooNE一樣安裝在中微子束流線上，但具有更精密的跟蹤能力。
MINERvA
MINERvA探測器MINERvA利用費米實驗室NuMi光束線開展中微子散射實驗，旨在測量低能中微子相互作用，支持中微子振盪實驗，還研究影響這些相互作用的核子和原子核的強動力學。
2010年3月，MINERvA完成和建造NuMi 近探測器大廳中的模組。2010年秋，安裝最終的核靶，正在收集中微子核反中微子相互作用事例。實驗物理學家們非常激動地朝著取得第一批成果努力著。
BTeV實驗
BTeV探測器布局BTeV實驗的目的在於向標準模型對CP破壞，b夸克和粲夸克態的混合和稀有衰變的解釋提出挑戰。幾十年來，標準模型一直是基本粒子物理的理論。BTeV實驗就是要尋找超出標準模型的物理，其實驗結果還會解釋與早期宇宙有關的現象，如為什麼宇宙是由物質而不是由反物質組成的。參加這一國際合作的有來自6個國家30個單位的170名科學家，他們利用Tevatron質子-反質子對撞機開展BTeV實驗。2006年進行設備安裝，2008年調試完畢，2009年開始取數據。
CMS合作實驗
CMS量能器費米實驗室是美方參加大型強子對撞機LHC上CMS實驗國際合作的牽頭單位。CMS有一個磁場強度4T的超導電磁鐵，長13米，直徑為5.9米。CMS的徑跡探測器、電磁量能器和內部強子量能器全都裝在超導螺線管內。圍繞中央徑跡探測器的電磁部分將由鎢酸鉛晶體做成。強子量能器圍在外面，中央桶部內徑1.8米，端蓋厚1.8米，μ探測系統由桶部和端蓋兩部分組成。費米實驗室具體負責端蓋μ子系統和電磁量能器的設計、加工。
CKM實驗
CKM探測器布局CKM實驗是在費米實驗室開展的一個固定靶實驗，旨在測量稀有帶電K介子標準模型衰變K+→p+ n`n的分支比。
天體物理實驗
1、皮埃爾·奧格宇宙線觀測站（Auger Observatory）
皮埃爾·奧格宇宙線觀測站示意圖皮埃爾·奧格宇宙線觀測站（Pierre Auger Observatory）1999年在南半球阿根廷的Mendoza省建造，2008年建成。設計要求在北半球也建同樣的一個觀測站，就可觀測幾乎整個天體。如果宇宙源可由到達方向上的簇團辨認，那么該觀測站就能研究具有相同靈敏度的宇宙線源的特性，不管宇宙線源在天空何處。另一方面，如果沒有發現分離的源，幾乎均勻的全天覆蓋對確定宇宙線到達的方向是否為各向同性，或由難解的大尺度模式描述其特性極其重要。2007年該站宣布觀測到超高能不均勻分布。參與這一項目的有阿根廷、巴西、玻利維亞、墨西哥、美國、德國、法國、義大利、波蘭和越南等17個國家的250名科學家。
（2、尋找暗物質（CDMS）的低溫實驗
皮埃爾·奧格宇宙線觀測站示意圖低溫暗物質搜尋計畫CDMS（Cryogenic Dark Matter Search）最初在史丹福大學校園內一個隧道內進行。CDMSII安置在美國明尼蘇達州蘇丹礦井地下714米深處的一個極其敏感的探測器，從2003年開始利用低溫鍺和矽探測器來探測弱相互作用暗物質。為了防止太空中其他各種粒子對探測器的干擾，礦洞起到禁止作用。當暗物質粒子擊中探測器中的一個原子核時，就會引起原子核擺動。
CDMS研究組由來自18個研究所的研究人員組成，接受能源部、國家自然科學基金委、加拿大和瑞士的國外資助局以及成員單位的資助。費米實驗室參加了此項研究。
CDMSII使用5組探測器，每組探測器包含著6個超純鍺或矽晶體，溫度處於零下233攝氏度，這些儀器通過尋找粒子碰撞鍺或矽晶體核釋放出的能量，探測暗物質粒子。
安裝在低溫恆溫器中的CDMS探測器2009年12月末，CDMS發表聲明稱，已經捕獲到兩個暗物質粒子擊中探測器中的原子核。因僅有兩個信號，還無法完全確定探測到的信號究竟是由暗物質粒子還是由其他粒子引起的，得到的結果尚有待進一步證實，但是它還是引起了科學界的轟動。CDMS將繼續進行他們的實驗以期發現更多實質性的信號。
為了增加探測的靈敏度，CDMS要升級為Super CDMS，比現在的探測器重3倍，而噪音水平更低。為了在尋找暗物質的過程中儘量消除宇宙射線的干擾，實驗地點也有可能會轉移到加拿大安大略省的SNOLAB地下2000米深處進行。
3、芝加哥地下粒子物理觀測站（COUPP）
COUPP實驗的小泡室芝加哥地下粒子物理觀測站COUPP（Chicagoland Observatory for Underground Particle Physics）是在費米實驗室地下MINIOS近探測器大廳里的一項實驗（簡稱E961），以證明作為暗物質探測器的一個30公升，60 公斤，重質液體的室溫泡室性能。
4、斯隆數位化尋天（SDSS）
斯隆數位化尋天SDSS（Sloan Digital Sky Survey）是系統地將整個天空的四分之一測繪出來，形成一個詳細的圖像，確定一億多個天體的位置和絕對亮度，還測量一百萬個距地球最近星系的距離，通過比到現在所探測過的大100倍的體積，給出宇宙三度空間的圖像。它還記錄10萬個已知最遙遠的類新星距地球的距離，提供前所未有的物質分布到宇宙可見邊緣的啟示。
NOvA示意圖SDSS系統地觀測很大部分的天空，尋天對天文學的研究，包括宇宙的大結構、星系的起源及演變、暗物質和發光物質之間的關係、銀河系的結構以及形成太陽那樣星體的宇宙塵埃的特性和分布，將產生巨大影響。
1998年，SDSS觀測獲得第一個光。2000年4月13日，SDSS宣布觀測到距離地球270億光年的類星體。費米實驗室的科學家們參與管理和分析大量的數據。這些天體物理方面的研究補充了費米實驗室尋求了解宇宙結構和演變方面的努力。
SDSS的測光望遠鏡2005年二期工程開始，稱為SDSS-II。2006年，SDSS-II發現139個新型1a超新星。2007年，SDSS-II發表約2.87億個天體包括197個類型的1a超新星的圖象。2008年7月完成了觀測，包括3個補充項目。遺產巡天完成了原始的SDSS星圖，覆蓋半個北天天空，確定了數億個天體的位置、亮度以及顏色，並測量了100餘萬個星系和類星體的距離。SEGUE（斯隆銀河系探索擴展）測繪了銀河系的結構以及恆星組成。超新星巡天沿天赤道重複掃描一個條帶狀天區，以圖發現並測量超新星以及其他變源，探索宇宙的加速膨脹。這三項巡天都是用新墨西哥州阿帕奇角天文台2.5米望遠鏡上的專用設備完成的。
阿帕奇山頂天文台的2.5米口徑望遠鏡SDSS以及SDSS-II的資金由阿爾弗雷德·P·斯隆基金會及參與機構提供，參與機構包括美國國家科學基金會、美國能源部、美國宇航局、日本文部科學省、馬克斯—普朗克學會，以及英國高等教育基金委員會。SDSS由參與機構的天體物理研究聯盟管理，20多個參與機構有美國自然歷史博物館、波茨坦天體物理研究所、巴塞爾大學、劍橋大學等，費米實驗室與中國科學院（LAMOST）均為參與機構。
5、暗能量測量 (DES)
暗能量測量的目的是，通過高精度測量140億宇宙膨脹的歷史，查明加速宇宙的起源和幫助揭開暗能量的性質。來自美國、巴西、西班牙、德國和英國23個科研機構的120多名科學家正在進行該項目的研究。該合作正在造一台極為敏感的570萬像素的數位相機DECam，並將其安裝在智利安第斯山脈高處Cerro Tololo美洲天文台的Blanco 4米的望遠鏡上。2011年底開始，連續五年，DES將測量南部大片的天空到浩瀚無邊的距離，以提供這個最根本問題的新的線索。
6、未來的實驗
（1）NOvA實驗
費米實驗室DES合作組設計的DECam示意圖科學家們認為在宇宙演變中中微子起了主要作用，貢獻的質量多如恆星和行星。NOvA實驗研究中微子的奇怪特性，特別是中微子難以捉摸地轉換為電子中微子。
NOvA遠端探測器示意圖NOvA實驗使用兩個探測器：一個是在費米實驗室的222噸的近端探測器，另一個是在美、加邊境南部明尼蘇達州的更大的一台1萬5千噸的遠端探測器。這些探測器是由385000個擠壓成型的高反射PVC塑膠單元組成，充滿閃爍液體。遠探測器中的每個單元寬3.9厘米，深6.0厘米，長15.5米。當中微子擊中閃爍液體中的原子時，引起帶電粒子的爆發。當這些粒子在探測器中停止移動，它們的能量被用光纖連線的光探測器收集。根據光電探測器看到的光的圖案，科學家們能夠確定造成什麼樣的中微子的相互作用以及它們的能量。該實驗將在2013年開始取數據，2014年1月完成建設，計畫第一輪運行6年。
（2）MicroBooNE 實驗
MicroBooNE探測器示意圖該實驗將建造和運行一個位於增強器中微子光束線中約100噸重的大型液氬時間投影室（LArTPC）。該實驗測量低能中微子橫截面，研究由MiniBooNE實驗所觀測到的低能額外事例。探測器作為階段性項目，是建造大型千噸重（LArTPC）探測器的必要的一步。該實驗於2007年10月向費米實驗室項目顧問委員會提出，2008年7月實驗的第一階段獲得批准。
（3）長基線中微子實驗（LBNE）
中微子可能是找到對宇宙本質最根本的一些問題答案的關鍵。發現中微子有微小質量打開了非常成功的粒子物理標準模型的第一個裂縫。物理標準模型假設這些神秘莫測的粒子根本就沒有質量。
物理學家們認為，中微子可以對一些令人費解的標準模型未解決的問題提供答案。特別是，它們之間的相互作用可以解釋為什麼物質豐富，而反物質在宇宙中消失。
LBNE示意圖長基線中微子實驗旨在找出是否是這種情況。通過將世界上最高強度的中微子束流從費米實驗室傳送1000多公里，直接通過地球到有史以來建造的最大的粒子探測器，來探索該中微子束流的相互作用和轉換。該探測器可安裝在所建議的位於南達科他州的地下深部科學與工程實驗室（DUSEL）。DUSEL將是世界上最深的地下實驗室，並會禁止宇宙粒子對LBNE中微子探測器的影響。
7、發展新技術
（1）項目X
項目X是所提出的一個強流質子加速器聯合體，它可為各種物理項目提供束流，為各種實驗提供不同的能量的粒子。質子可以加速，以形成一個高強度的中微子束流，用於如NOvA和長基線中微子振盪實驗這樣的中微子實驗。同時，項目X可以提供質子給基於K介子和m介子的精確實驗。其他套用正在研究中。超導加速器將包含在設計上類似今後輕子對撞機的超導高頻部件。
（2）ILC超導高頻腔
對下一代粒子加速器和粒子物理未來來說，超導高頻腔是一項關鍵的技術。
超導高頻腔能提高粒子加速器的束流能量水平，同時通過消除電阻最大限度地降低所有電力的使用。將來對宇宙起源和物質性質的實驗，包括所提國際直線對撞機和X項目，這兩個項目費米實驗室都希望能作為東道主，將需要先進的超導高頻腔技術。
超導高頻技術是一種加速粒子束流的高效方式。它由超導金屬鈮組成單元，並像空心珍珠串在一起。這些單元以所有可能的方式進行拋光，不帶一粒灰塵或在形狀上沒有絲毫差別。幾個腔安放在被稱為超導加速單元的容器內，超導加速單元在液態氦中進行沖洗，並保持在超冷溫度下，這對它們的運行和效率是關鍵。
費米實驗室計畫採用超導高頻技術製造項目X加速器的部件。項目X的超導高頻腔設計類似於費米實驗室的測試加速器和擬建的國際直線對撞機所採用的超導高頻腔設計。
新技術發展
對知識的追求推動著費米實驗室的科學研究。研究中所獲得的新的知識將對人類的生活方式產生深刻的影響。例如：如果100年前沒有發現電子，當今的電子世界是完全不可能實現的。
1、核磁共振
近年來的磁共振成像技術來源於Tevatron超導磁鐵大開發。費米實驗室在20世紀70年代建造Tevatron時首次研製出超導線和電纜組成的大功率磁鐵。為建造Tevatron，費米實驗室將超導、物理、工程、材料科學和加工方面的專家組合在一起。他們的合作使超導磁鐵技術在核磁共振成像產生的新的診斷能力方面充分發揮作用。新一代超導磁鐵會使物理學們擁有功率更大的加速器，以揭開宇宙最深的奧秘。新一代高磁場超導磁共振成像磁鐵將有助於揭開人體的奧秘。
2、同步輻射
同步加速器運轉時，帶電粒子沿切線方向釋放出電磁輻射，故而損失能量，該能量以光的形式釋放出來。在許多領域的套用研究中，X射線是必不可少的工具，如生產積體電路，研究Lou Gehring疾病的基因和愛滋病病毒複製酶。
3、高能物理 – WWW的誕生地
研製中的超導高頻腔最初，高能物理實驗室的科學家們將其作為與國外同事開展合作的工具，後來發展為套用於全世界的WWW網。高能物理為現代技術做出了重要貢獻。
4、醫學套用
粒子物理研究對計算機輔助層面X線照相術、磁共振成像、正電子斷層照相和癌症治療做出了貢獻。在費米實驗室，科學家們利用美國國立癌症研究院提供的經費開發費米實驗室直線加速器的用途，用中子束治療癌症病人。25年來，有3000多位癌症患者接受治療。1995年後，Provena Saint Joseph醫院負責管理在費米實驗室的中西部中子治療研究所，治療來自全美國的癌症患者。另外，在Loma Linda大學，每天有約100位病人接受費米實驗室建造的同步加速器的治療。
豐碩成果
1、建成世界上最大的質子反質子對撞機
費米實驗室成功地運行了當時世界上能量最高的粒子加速器和僅有的質子反質子對撞機Tevatron。來自美國和國外大學的粒子物理學家利用它開展高能物理研究。
2、加速器預製研究具有獨創性
國際上公認費米實驗室在加速器預製研究方面具有創新性，這是發展更先進的加速器理論的基礎。新的加速器理論會導致研製出新型加速器，以回答有關物質、空間和時間色基本問題。
3、超導磁鐵的研究、設計與開發
費米實驗室在成功開發超導磁鐵，提高質子加速器能量所需的基本技術方面處於世界領先地位。
4、探測器開發
費米實驗室的CDF和D0探測器是當時最大的粒子探測器。技術上的進步，例如矽探測器等，使世界上最大的顯微鏡的性能得到改進，以開展未來的實驗。
5、高性能計算
為記錄和分析粒子物理中產生的數據，費米實驗室縮小了計算的限度，為美國下一代計算機地發展做出了重要貢獻。費米實驗室被公認為在處理大量數據方面具有經驗，首建並行計算機取得成功，並願意嘗試在技術上具有風險的新方向。
6、醫用加速器
費米實驗室建造了癌症治療中心使用的粒子加速器。費米實驗室的直線加速器產生中子束流，供中西部中子治癌研究所使用。從1976年開始，共治療300多位癌症患者。美國加州Loma Linda中子治療中心有一台費米實驗室1988-1989年建造的質子加速器，運行的10年中，該中心共治療了6000位癌症患者。
重大發現
1977年6月30日，宣布發現底夸克；
1994年4月26日，宣布頂夸克的第一個直接證據；
1995年3月3日，CDF和D0合作組的實驗人員宣布發現頂夸克；
1996年11月18日，觀測到反氫原子；
1999年3月1日，在中性K介子中觀測到直接的CP破缺；
2000年4月13日，斯隆數位化巡天在紅移5.8觀測到最遙遠的物體；
2000年7月20日，DONuT實驗報告直接觀測到t中微子的第一個證據，從而開啟了物理研究的一個新時代；
2001年11月7日，NuTeV合作組報告Sinqw異乎尋常的高值為0.2277；
2005年7月9日，首次在再循環環中觀測到電子冷卻反質子；
2006年1月12日，斯隆數位化巡天－II報告發現139個新型1a超新星；
2006年9月25日，發現Bs 物質－反物質振盪: 3萬億次/秒；
2006年10月23日，發現b重子（u-u-b和d-d-b）；
2007年1月7日，CDF宣布通過單個實驗對W波色子質量的最精確測量結果；2007年6月，發現b重子（d-s-b夸克組合）；
費米實驗室的超導磁鐵2007年6月28日，SDSSII發表約2.87億個天體包括197個類型的1a超新星的圖象；
2007年11月8日，Pierre Auger天文台觀測到超高能不均勻分布；
2008年3月30日，發現產生ZZ雙波色子；
2009年3月9日，發現產生單個頂夸克；
2009年3月11日，D0實驗室組宣布W波色子質量的最佳測量結果；
2009年3月18日，發現新的夸克結構，命名為Y（4140）。
