费米国家加速器实验室的天体物理实验
1、皮埃尔·奥格宇宙线观测站（Auger Observatory）
皮埃尔·奥格宇宙线观测站（Pierre Auger Observatory）1999年在南半球阿根廷的Mendoza省建造，2008年建成。设计要求在北半球也建同样的一个观测站，就可观测几乎整个天体。如果宇宙源可由到达方向上的簇团辨认，那么该观测站就能研究具有相同灵敏度的宇宙线源的特性，不管宇宙线源在天空何处。另一方面，如果没有发现分离的源，几乎均匀的全天覆盖对确定宇宙线到达的方向是否为各向同性，或由难解的大尺度模式描述其特性极其重要。2007年该站宣布观测到超高能不均匀分布。参与这一项目的有阿根廷、巴西、玻利维亚、墨西哥、美国、德国、法国、意大利、波兰和越南等17个国家的250名科学家。
（2、寻找暗物质（CDMS）的低温实验
低温暗物质搜寻计划CDMS（Cryogenic Dark Matter Search）最初在斯坦福大学校园内一个隧道内进行。CDMSII安置在美国明尼苏达州苏丹矿井地下714米深处的一个极其敏感的探测器，从2003年开始利用低温锗和硅探测器来探测弱相互作用暗物质。为了防止太空中其他各种粒子对探测器的干扰，矿洞起到屏蔽作用。当暗物质粒子击中探测器中的一个原子核时，就会引起原子核摆动。
CDMS研究组由来自18个研究所的研究人员组成，接受能源部、国家自然科学基金委、加拿大和瑞士的国外资助局以及成员单位的资助。费米实验室参加了此项研究。
CDMSII使用5组探测器，每组探测器包含着6个超纯锗或硅晶体，温度处于零下233摄氏度，这些仪器通过寻找粒子碰撞锗或硅晶体核释放出的能量，探测暗物质粒子。
2009年12月末，CDMS发表声明称，已经捕获到两个暗物质粒子击中探测器中的原子核。因仅有两个信号，还无法完全确定探测到的信号究竟是由暗物质粒子还是由其他粒子引起的，得到的结果尚有待进一步证实，但是它还是引起了科学界的轰动。CDMS将继续进行他们的实验以期发现更多实质性的信号。
为了增加探测的灵敏度，CDMS要升级为Super CDMS，比现在的探测器重3倍，而噪音水平更低。为了在寻找暗物质的过程中尽量消除宇宙射线的干扰，实验地点也有可能会转移到加拿大安大略省的SNOLAB地下2000米深处进行。
3、芝加哥地下粒子物理观测站（COUPP）
芝加哥地下粒子物理观测站COUPP（Chicagoland Observatory for Underground Particle Physics）是在费米实验室地下MINIOS近探测器大厅里的一项实验（简称E961），以证明作为暗物质探测器的一个30公升，60 公斤，重质液体的室温泡室性能。
4、斯隆数字化寻天（SDSS）
斯隆数字化寻天SDSS（Sloan Digital Sky Survey）是系统地将整个天空的四分之一测绘出来，形成一个详细的图像，确定一亿多个天体的位置和绝对亮度，还测量一百万个距地球最近星系的距离，通过比到现在所探测过的大100倍的体积，给出宇宙三度空间的图像。它还记录10万个已知最遥远的类新星距地球的距离，提供前所未有的物质分布到宇宙可见边缘的启示。
SDSS系统地观测很大部分的天空，寻天对天文学的研究，包括宇宙的大结构、星系的起源及演变、暗物质和发光物质之间的关系、银河系的结构以及形成太阳那样星体的宇宙尘埃的特性和分布，将产生巨大影响。
1998年，SDSS观测获得第一个光。2000年4月13日，SDSS宣布观测到距离地球270亿光年的类星体。费米实验室的科学家们参与管理和分析大量的数据。这些天体物理方面的研究补充了费米实验室寻求了解宇宙结构和演变方面的努力。
2005年二期工程开始，称为SDSS-II。2006年，SDSS-II发现139个新型1a超新星。2007年，SDSS-II发表约2.87亿个天体包括197个类型的1a超新星的图象。2008年7月完成了观测，包括3个补充项目。遗产巡天完成了原始的SDSS星图，覆盖半个北天天空，确定了数亿个天体的位置、亮度以及颜色，并测量了100余万个星系和类星体的距离。SEGUE（斯隆银河系探索扩展）测绘了银河系的结构以及恒星组成。超新星巡天沿天赤道重复扫描一个条带状天区，以图发现并测量超新星以及其他变源，探索宇宙的加速膨胀。这三项巡天都是用新墨西哥州阿帕奇角天文台2.5米望远镜上的专用设备完成的。
SDSS以及SDSS-II的资金由阿尔弗雷德·P·斯隆基金会及参与机构提供，参与机构包括美国国家科学基金会、美国能源部、美国宇航局、日本文部科学省、马克斯—普朗克学会，以及英国高等教育基金委员会。SDSS由参与机构的天体物理研究联盟管理，20多个参与机构有美国自然历史博物馆、波茨坦天体物理研究所、巴塞尔大学、剑桥大学等，费米实验室与中国科学院（LAMOST）均为参与机构。
5、暗能量测量 (DES)
暗能量测量的目的是，通过高精度测量140亿宇宙膨胀的历史，查明加速宇宙的起源和帮助揭开暗能量的性质。来自美国、巴西、西班牙、德国和英国23个科研机构的120多名科学家正在进行该项目的研究。该合作正在造一台极为敏感的570万像素的数码相机DECam，并将其安装在智利安第斯山脉高处Cerro Tololo美洲天文台的Blanco 4米的望远镜上。2011年底开始，连续五年，DES将测量南部大片的天空到浩瀚无边的距离，以提供这个最根本问题的新的线索。
6、未来的实验
（1）NOvA实验
科学家们认为在宇宙演变中中微子起了主要作用，贡献的质量多如恒星和行星。NOvA实验研究中微子的奇怪特性，特别是中微子难以捉摸地转换为电子中微子。
NOvA实验使用两个探测器：一个是在费米实验室的222吨的近端探测器，另一个是在美、加边境南部明尼苏达州的更大的一台1万5千吨的远端探测器。这些探测器是由385000个挤压成型的高反射PVC塑料单元组成，充满闪烁液体。远探测器中的每个单元宽3.9厘米，深6.0厘米，长15.5米。当中微子击中闪烁液体中的原子时，引起带电粒子的爆发。当这些粒子在探测器中停止移动，它们的能量被用光纤连接的光探测器收集。根据光电探测器看到的光的图案，科学家们能够确定造成什么样的中微子的相互作用以及它们的能量。该实验将在2013年开始取数据，2014年1月完成建设，计划第一轮运行6年。
（2）MicroBooNE 实验
该实验将建造和运行一个位于增强器中微子光束线中约100吨重的大型液氩时间投影室（LArTPC）。该实验测量低能中微子横截面，研究由MiniBooNE实验所观测到的低能额外事例。探测器作为阶段性项目，是建造大型千吨重（LArTPC）探测器的必要的一步。该实验于2007年10月向费米实验室项目顾问委员会提出，2008年7月实验的第一阶段获得批准。
（3）长基线中微子实验（LBNE）
中微子可能是找到对宇宙本质最根本的一些问题答案的关键。发现中微子有微小质量打开了非常成功的粒子物理标准模型的第一个裂缝。物理标准模型假设这些神秘莫测的粒子根本就没有质量。
物理学家们认为，中微子可以对一些令人费解的标准模型未解决的问题提供答案。特别是，它们之间的相互作用可以解释为什么物质丰富，而反物质在宇宙中消失。
长基线中微子实验旨在找出是否是这种情况。通过将世界上最高强度的中微子束流从费米实验室发送1000多公里，直接通过地球到有史以来建造的最大的粒子探测器，来探索该中微子束流的相互作用和转换。该探测器可安装在所建议的位于南达科他州的地下深部科学与工程实验室（DUSEL）。DUSEL将是世界上最深的地下实验室，并会屏蔽宇宙粒子对LBNE中微子探测器的影响。
7、发展新技术
（1）项目X
项目X是所提出的一个强流质子加速器联合体，它可为各种物理项目提供束流，为各种实验提供不同的能量的粒子。质子可以加速，以形成一个高强度的中微子束流，用于如NOvA和长基线中微子振荡实验这样的中微子实验。同时，项目X可以提供质子给基于K介子和m介子的精确实验。其他应用正在研究中。超导加速器将包含在设计上类似今后轻子对撞机的超导高频部件。
（2）ILC超导高频腔
对下一代粒子加速器和粒子物理未来来说，超导高频腔是一项关键的技术。
超导高频腔能提高粒子加速器的束流能量水平，同时通过消除电阻最大限度地降低所有电力的使用。将来对宇宙起源和物质性质的实验，包括所提国际直线对撞机和X项目，这两个项目费米实验室都希望能作为东道主，将需要先进的超导高频腔技术。
超导高频技术是一种加速粒子束流的高效方式。它由超导金属铌组成单元，并像空心珍珠串在一起。这些单元以所有可能的方式进行抛光，不带一粒灰尘或在形状上没有丝毫差别。几个腔安放在被称为超导加速单元的容器内，超导加速单元在液态氦中进行冲洗，并保持在超冷温度下，这对它们的运行和效率是关键。
费米实验室计划采用超导高频技术制造项目X加速器的部件。项目X的超导高频腔设计类似于费米实验室的测试加速器和拟建的国际直线对撞机所采用的超导高频腔设计。