Das Fermi National Accelerator Laboratory, auch Fermilab genannt, ist ein nationales Teilchenbeschleunigerlabor und Zentrum für teilchenphysikalische Forschung in den USA, das sich in Batavia, Illinois, etwa 43 km (27 Meilen) westlich von Chicago befindet. Die Anlage wird im Auftrag des US-Energieministeriums von der Universities Research Association betrieben, einem Zusammenschluss von 85 Forschungsuniversitäten in den Vereinigten Staaten und 4 Universitäten aus Kanada, Italien und Japan. Das Fermilab wurde Mitte der 1960er Jahre gegründet, als Reaktion auf eine Empfehlung der Atomenergiekommission von 1963, eine nationale Teilchenbeschleunigeranlage zu bauen, um Forschung auf Weltklasseniveau in der Kernphysik zu betreiben. Der Standort in Batavia, der sich über 2.800 Hektar erstreckt, wurde 1966 ausgewählt und 1968 offiziell bezogen. Fermilab zieht Wissenschaftler aus fast allen US-Bundesstaaten und aus 45 Ländern weltweit an, um gemeinsam an der grundlegenden Natur der Materie, dem Bereich der subatomaren Teilchen, zu forschen.
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Der erste Teilchenbeschleuniger des Fermilab war ein Protonensynchrotron, ein zyklischer Beschleuniger mit einem Ringumfang von 6,3 km (3,9 Meilen). Es wurde 1972 in Betrieb genommen und konnte Protonen auf 400 Gigaelektronenvolt (GeV; 400 Milliarden Elektronenvolt) beschleunigen. In den 1980er Jahren wurde ein zweiter und leistungsstärkerer Teilchenbeschleuniger, das Tevatron, im gleichen Tunnel, aber unterhalb des ursprünglichen Synchrotronrings gebaut.
Das Tevatron war ein supraleitendes Synchrotron, das die höheren Magnetfeldstärken supraleitender Magnete nutzte, um Protonen auf deutlich höhere Energien zu beschleunigen. Der ursprüngliche Hauptring wurde Teil des Vorbeschleuniger-Injektionssystems für das Tevatron, das Teilchen auf 150 GeV beschleunigte und sie dann zur Beschleunigung auf 900 GeV an den neuen supraleitenden Ring weiterleitete. 1987 nahm das Tevatron seinen Betrieb als Protonen-Antiprotonen-Collider auf – mit 900-GeV-Protonen, die auf 900-GeV-Antiprotonen treffen, um insgesamt Kollisionsenergien von 1,8 Teraelektronenvolt (TeV; 1,8 Billionen Elektronenvolt) zu erreichen. Der ursprüngliche Hauptring wurde 1999 durch einen neuen Vorbeschleuniger, den so genannten Main Injector, ersetzt, der dem Tevatron intensivere Strahlen zuführte und damit die Anzahl der Teilchenkollisionen um den Faktor 10 erhöhte. Das Tevatron war der energiereichste Teilchenbeschleuniger der Welt, bis es 2009 durch den Large Hadron Collider der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) abgelöst wurde. Das Tevatron wurde am 30. September 2011 geschlossen.
Im Jahr 1977 entdeckte ein Fermilab-Team unter der Leitung des amerikanischen Physikers Leon Lederman bei der Untersuchung der Ergebnisse von 400-GeV-Protonen-Kern-Kollisionen im ursprünglichen Hauptring den ersten Nachweis für das Upsilon-Meson, der die Existenz des Bottom-Quarks offenbarte. Das Bottom-Quark, das fünfte nachgewiesene Quark, ist ein Mitglied des dritten und schwersten Quarkpaares. Das Gegenstück zu diesem Paar ist das top-Quark, das sechste und massereichste Quark, das 1995 ebenfalls am Fermilab entdeckt wurde. Auf die Existenz des Top-Quarks, das im Tevatron durch 1,8-TeV-Proton-Antiproton-Kollisionen erzeugt wird, schlossen die Wissenschaftler aufgrund seiner Zerfallseigenschaften. Im Jahr 2010 entdeckten Wissenschaftler am Tevatron eine leichte Präferenz für B-Mesonen (Teilchen, die ein Bottom-Quark enthalten), in Myonen statt in Antimuonen zu zerfallen. Diese Verletzung der Ladungssymmetrie könnte eine Erklärung dafür liefern, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.
Das Fermilab-Gelände, das aus Tausenden von Hektar unbebautem Land besteht, bietet eine erstklassige Gelegenheit, ein einheimisches Prärie-Ökosystem zu studieren und wiederherzustellen. Seit 1975 ist das Fermilab an einem weitreichenden Prärie-Restaurierungsprojekt beteiligt – die Wiederherstellung von einheimischen Präriegräsern auf dem Gelände, die Haltung einer Bisonherde auf dem Gelände und die Einrichtung eines Lebensraums für Wasservögel. Im Jahr 1989 wurde Fermilab als National Environmental Research Park anerkannt, ein geschütztes Freiluftlabor für ökologische Studien.