Сэнфордский подземный исследовательский центр
Sanford Underground Research Facility (SURF) , или Sanford Lab , — подземная лаборатория в Лиде, Южная Дакота . Самая глубокая подземная лаборатория в Соединенных Штатах, в которой проводятся многочисленные эксперименты в таких областях, как исследования темной материи и физики нейтрино , биология, геология и инженерия. В настоящее время на территории объекта реализуется 28 активных исследовательских проектов.
Сэнфордская лаборатория находится под управлением Управления науки и технологий Южной Дакоты (SDSTA). Деятельность SURF финансируется Министерством энергетики США через Национальную ускорительную лабораторию Ферми и за счет пожертвования в размере 70 миллионов долларов от Т. Денни Сэнфорда . Штат Южная Дакота также внес в проект почти 70 миллионов долларов.
Научные исследования
[ редактировать ]Глубина, стабильность горных пород и история лаборатории Сэнфорда делают ее идеальной для чувствительных физических экспериментов, требующих защиты от высокоэнергетического космического излучения Солнца. Кроме того, объект используется исследователями, изучающими геологию, биологию и инженерию. [1] [2]
Эксперименты
[ редактировать ]В разработке
[ редактировать ]DUNE , LBNF / организовано Фермилабом: Ученые, проводящие эксперимент с нейтрино в глубоких подземельях (DUNE), надеются произвести революцию в нашем понимании роли нейтрино в создании Вселенной. Установка для нейтрино с длинной базой (LBNF) будет направлять луч нейтрино из лаборатории Фермилаборатории в Батавии, штат Иллинойс, на расстояние 800 миль через Землю к детекторам глубоко под землей в лаборатории Сэнфорда в Лиде, Южная Дакота. [3]
Активный
[ редактировать ]LUX-Zeplin : LUX-ZEPLIN (LZ) — детектор темной материи нового поколения, пришедший на смену эксперименту LUX глубоко под землей в лаборатории Сэнфорда. Эксперимент продолжает поиск WIMP (слабо взаимодействующих массивных частиц) с использованием детектора, который в 30 раз больше и в 100 раз чувствительнее LUX. [4]
EGS Collab : Совместный проект усовершенствованных геотермальных систем (EGS) — это сотрудничество восьми национальных лабораторий и шести университетов, которые работают над улучшением геотермальных технологий. EGS проводит полевые эксперименты, чтобы лучше понять и смоделировать трещиноватость горных пород и другие элементы геотермальной энергии. [5]
CASPAR: Сотрудничество Компактной ускорительной системы для проведения астрофизических исследований (CASPAR) использует низкоэнергетический ускоритель (длиной 50 футов), чтобы лучше понять, как химические элементы производятся во Вселенной, а также с какой скоростью и сколько энергии производится во время этого процесса. Строительство ускорителя началось примерно в 2015 году, а первый луч был получен в 2017 году. [6] Весной 2021 года эксперимент КАСПАР был законсервирован из-за начавшихся неподалеку раскопок. Ускоритель был разобран и отправлен на хранение. Исследовательская группа планирует вернуться в SURF в будущем. [7]
Демонстратор Майораны : Демонстратор Майораны использует 40 килограммов чистых кристаллов германия, заключенных в модули криостата глубокой заморозки, чтобы ответить на один из самых сложных и важных вопросов в физике: являются ли нейтрино собственными античастицами? Если ответ положительный, потребуется переписать Стандартную модель частиц и взаимодействий, наше базовое понимание физического мира. [8]
GEOXTM: GEOXTM надеется создать крупнейшую и самую глубокую в мире сеть подземных оптоволоконных датчиков деформации и температуры, а также наклономеров для измерения движения систем горных пород в подземной лаборатории. [9]
Прозрачная Земля: В рамках проекта создается глубокая сейсмическая обсерватория для научных исследований, разработки сенсорных технологий и обеспечения безопасности в лаборатории Сэнфорда. [10]
Предыдущий
[ редактировать ]LUX: В мае 2016 года завершился экспериментальный запуск Большого подземного ксенонового эксперимента (LUX). Хотя он и не обнаружил темную материю, в то время он был объявлен самым чувствительным детектором темной материи в мире. [11]
kISMET: В рамках программы kISMET (проницаемость (k) и управление наведенной сейсмичностью для энергетических технологий) было пробурено и отобрано пять скважин глубиной 50 метров, чтобы узнать больше о структуре горных пород. Этот эксперимент был предшественником EGS Collab. [12]
ДЮГЛ: В течение нескольких лет Глубокая подземная гравитационная лаборатория использовала 20 сейсмометров, стратегически расположенных на поверхности и на нескольких уровнях Сэнфордской лаборатории, от 300 до 485 уровней. Размещенные в сетке, сейсмометры отслеживали движение грунта , предоставляя исследователям трехмерную сейсмическую картину, которая использовалась для разработки будущих детекторов гравитационных волн. DUGL, выведенный из эксплуатации в 2017 году, представлял собой проект, связанный с лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией ( LIGO ). [13]
Эксперимент с солнечными нейтрино (эксперимент Дэвиса/домашний эксперимент): Рэймонд Дэвис-младший , пионер в исследованиях нейтрино, построил детектор солнечных нейтрино глубоко под землей в лаборатории Сэнфорда. [14] Когда он обнаружил лишь треть предсказанного, он непреднамеренно создал то, что стало называться «проблемой солнечных нейтрино». Другие эксперименты — Нейтринная обсерватория Садбери в Канаде и Супер Камиоканде в Японии — подтвердили работу Дэвиса, принеся ему четверть доли. [примечание 1] Нобелевской премии по физике 2002 года. [15]
Образование и информационно-пропагандистская деятельность
[ редактировать ]Программа «Образование и информационно-пропагандистская деятельность» — это совместный проект Sanford Lab и Государственного университета Блэк-Хиллз (BHSU). [16] Программа предоставляет ресурсы для региональных преподавателей, включая 9 программ собраний, 13 учебных модулей и 12 экскурсий с целью продвижения STEM-образования. [16]
Sanford Lab также проводит информационно-просветительские мероприятия, в том числе серию Deep Talks Science for Every и общегородской научный фестиваль «День нейтрино», который ежегодно собирает 1500 посетителей. [17] Хотя публичные экскурсии по объекту недоступны, в 2015 году Sanford Lab построила Центр для посетителей Sanford Lab Homestake . Центр для посетителей с видом на хребет открытого разреза глубиной 1000 футов способствует общественному пониманию богатой истории добычи полезных ископаемых Лида и пониманию научных достижений, развивающихся в лаборатории Сэнфорда. [17]
Сэнфордский научно-образовательный центр (SSEC), официально зарегистрированный весной 2014 года, представляет собой партнерство между Сэнфордским подземным исследовательским центром, Государственным университетом Блэк-Хиллз и Центром для посетителей Sanford Lab Homestake. SSEC стремится развивать и содействовать богатому инновационному опыту обучения и подготовке следующего поколения ученых, инженеров, математиков и педагогов. SSEC оказывает поддержку образовательным и информационно-просветительским программам Sanford Lab, подземному кампусу BHSU и Центру посетителей Homestake Sanford Lab. [18]
Средство
[ редактировать ]SURF расположен на территории бывшего золотого рудника Хоумстейк и занимает территорию площадью 223 акра на поверхности и 7700 акров под землей. Наземная собственность включает в себя кампус Йейтса и кампус Росса, названные соответственно в честь валов Йейтса и Росса, которые обеспечивают доступ к подземным областям. В 2006 году недвижимость была подарена SDSTA материнской компанией Homestake, Barrick Gold, для использования в качестве специализированного исследовательского центра. [19]
Хоумстейк проложил более 370 миль подземных шахт, штреков и пандусов, а лаборатория Сэнфорда в настоящее время поддерживает около 12 миль для научной деятельности. Основным уровнем для науки является Уровень 4850, попасть на который можно через шахты Йейтса и Росса. SURF является самой глубокой подземной лабораторией в США, расположенной на высоте 1490 метров. Для экспериментов на уровне 4850 средний объем горной породы составляет примерно 4300 метров водного эквивалента (МВЭ). Эта глубина обеспечивает значительную защиту от космического излучения Солнца для чувствительных экспериментов по физике элементарных частиц. [1]
Два основных подземных кампуса, кампус Дэвиса и кампус Росса, проводят эксперименты на уровне 4850. [20]
Дэвис Каверн
[ редактировать ]На территории кампуса Дэвиса находится пещера Дэвиса, в которой первоначально размещался эксперимент доктора Рэймонда Дэвиса-младшего с солнечными нейтрино , а затем была перепроектирована и расширена для экспериментов с темной материей. [14] Первый, Большой подземный ксеноновый эксперимент (LUX), работал с 2013 по 2016 год. [11] Пещера Дэвиса предоставила эксперименту условия, необходимые для того, чтобы стать самым чувствительным детектором темной материи в мире, и это место он удерживал более года после вывода из эксплуатации.
Эта современная лаборатория оснащена резервуаром для воды емкостью 72 000 галлонов (272 549 литров), который служит дополнительной защитой от космического излучения; а также система деионизации воды, чистая комната и диспетчерская для исследователей. Исследователи оснастили пещеру Дэвис системой очистки ксенона, серверами, электроникой и самим экспериментом. Все это снова используется для эксперимента с темной материей следующего поколения, LUX-ZEPLIN (LZ). [4]
Подземный кампус государственного университета Блэк-Хиллз
[ редактировать ]На уровне 4850 в подземном кампусе государственного университета Блэк-Хиллз (BHUC) находится центр низкофонового счета Sanford Lab — чистое помещение класса 1000, содержащее несколько сверхчувствительных низкофоновых счетчиков (LBC), используемых для анализа материалов для сверхчувствительных экспериментов. а прилегающее рабочее пространство можно использовать для занятий различными дисциплинами. Объект находится в ведении Государственного университета Блэк-Хиллз, и на нем расположены пять действующих ББК. [21]
В этих ББК используются германиевые детекторы, размещенные в контейнерах из свинцового кирпича, для проверки материалов и выявления ионизирующего излучения, выделяемого материалом с течением времени по мере распада его радиоактивных элементов. Этот процесс подсчета помогает исследователям решить, какие типы материалов лучше всего подходят для их экспериментов. Он также предоставляет исследователям данные, позволяющие им рассчитать, какой уровень радиоактивности они могут ожидать от своих материалов в течение всего эксперимента. [21]
Соглашение о консорциуме между владельцами LBC позволяет предоставлять счетчики другим университетам и партнерам, создавая возможности для совместных исследований. Хотя счетчики предназначены для поддержки высокоприоритетных экспериментов, консорциум позволяет использовать эти счетчики для всех коллабораций и академических пользователей, когда есть свободное место. [22]
Лаборатория поверхностной сборки
[ редактировать ]Лаборатория поверхностной сборки (SAL) — это лаборатория площадью 780 квадратных футов с чистым помещением класса 1000. Эта лаборатория предоставляет исследователям пространство для очистки и сборки частей своих экспериментов перед транспортировкой их под землю. Чтобы обеспечить эти процессы, SAL включает в себя алюминиевые листы; воздушные шлюзы; подъемник; яма глубиной 12 футов для крупных сборочных проектов; и система снижения радона. [23]
Завод по очистке сточных вод
[ редактировать ]С тех пор, как Sanford Lab начала свою работу в 2008 году, на станции очистки сточных вод (WWTP) были очищены миллиарды галлонов воды. Чтобы предотвратить скопление естественно проникающей воды под землей, примерно 700 галлонов воды в минуту перекачивается из-под земли в поверхностный резервуар, где она ожидает процесса очистки. Вода, откачиваемая из самых глубоких штреков лаборатории Сэнфорда и резервуара с хвостохранилищем Гризли-Галч, фильтруется через многочисленные системы, которые очищают воду от грязи, минералов и токсинов, что делает ее безопасным возвратом в естественные водотоки. После очистки вода сбрасывается в Голд-Ран-Крик , который впадает в Уайтвуд-Крик в нескольких сотнях ярдов от сливной трубы. [24]
Лаборатория Сэнфорда следит за состоянием этих ручьев, подсчитывая популяции рыб и макробеспозвоночных и проверяя их на наличие загрязнений. За это постановление в 2019 году очистные сооружения одиннадцатый год подряд были отмечены Департаментом окружающей среды и природных ресурсов Южной Дакоты (DENR) за «выдающуюся работу системы сточных вод и соблюдение экологических требований» наградой DENR за разрешение на сброс поверхностных вод. [25]
История
[ редактировать ]
Объект расположен на территории бывшего золотого рудника Хоумстейк, глубокого подземного золотого рудника, основанного во время золотой лихорадки Блэк-Хиллз в 1876 году. В конце 1960-х годов на руднике проводился эксперимент Хоумстейк . Операция, также известная как эксперимент Дэвиса, позволила Рэймонду Дэвису-младшему напрямую измерить поток солнечных нейтрино . [14] Несоответствие измерений потоку, предсказанному на основе Солнца, привело светимости Дэвиса к разработке проблемы солнечных нейтрино . Эксперимент Homestake популяризировал шахту как ресурс среди научных сообществ.
Когда шахта Хоумстейк закрылась в 2002 году, Национальный научный фонд (NSF) уже рассматривал этот объект как возможное будущее место для глубоко подземной научно-технической лаборатории США (DUSEL). [19] В 2006 году тезка объекта Т. Денни Сэнфорд пожертвовал объекту 70 миллионов долларов, Barrick Gold Corporation пожертвовала землю, а по законодательству штата было образовано Управление науки и технологий Южной Дакоты (SDSTA), квазиправительственное учреждение. Эти разработки завершились созданием Sanford Lab в 2007 году.
После обширного процесса обезвоживания уровень 4850 лаборатории Сэнфорда был посвящен губернатором Южной Дакоты Майком Раундсом и Т. Денни Сэнфордом в 2009 году. Освящение под землей произошло в помещении, которое теперь называется Губернаторским уголком. [26]
В декабре 2010 года Национальный научный совет решил не финансировать дальнейшее проектирование DUSEL. Однако в 2011 году Министерство энергетики через Национальную лабораторию Лоуренса в Беркли согласилось поддержать научную деятельность в лаборатории. Сегодня деятельность Sanford Lab финансируется Министерством энергетики США через Национальную ускорительную лабораторию Ферми .
Первыми двумя крупными физическими экспериментами, расположенными на уровне 4850, были эксперимент «Большой подземный ксенон» (LUX) и эксперимент «Майорана-демонстратор». LUX расположен в той же пещере, которая была раскопана для эксперимента Рэя Дэвиса в 1960-х годах. В октябре 2013 года, после первоначальной работы в течение 80 дней, LUX был признан самым чувствительным детектором темной материи в мире. [4] Эксперимент Майораны направлен на поиск редкого типа радиоактивного распада, называемого «безнейтринный двойной бета-распад». Если бы это явление было обнаружено, это могло бы подтвердить, что нейтрино сами по себе являются античастицами, и дать ключ к разгадке того, почему материя преобладает над антиматерией. [27]
В 2017 году коллаборация Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) провела закладку фундамента на уровне 4850 лаборатории Сэнфорда, чтобы ознаменовать начало раскопок для установки нейтрино с длинной базой, на которой будет проводиться международный эксперимент DUNE. [3]
См. также
[ редактировать ]- Обсерватория Камиока
- Национальные лаборатории Гран-Сассо
- Нейтринная обсерватория Садбери
- Подземная лаборатория Булби
Примечания
[ редактировать ]- ↑ Несмотря на то, что в 2002 году было три лауреата Нобелевской премии по физике, доля Дэвиса составила одну четвертую часть премии.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б «Обзор подземного исследовательского центра в Сэнфорде | Подземный исследовательский центр в Сэнфорде» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Углубляясь в науку | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Фермилаб | ЛБНФ | Домой» . lbnf.fnal.gov . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с «Эксперимент с темной материей LZ» . lz.lbl.gov . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Как работает усовершенствованная геотермальная система» . Energy.gov.ru . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Дам, Маркетинговые коммуникации: Интернет // Университет Нотр. «Ускоритель КАСПАР // Институт структурной и ядерной астрофизики // Университет Нотр-Дам» . Институт структурной и ядерной астрофизики . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Коллаборация КАСПАР разбирает ускоритель» .
- ^ «Подземный эксперимент с нейтрино готовит почву для глубоких открытий о материи | ORNL» . www.ornl.gov . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «GEOXTM | Подземный исследовательский центр в Сэнфорде» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Прозрачная Земля | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б 21 июля; Стейси, 401-863-3766, 2016 г. Контакт для СМИ: Кевин. «Самый чувствительный детектор темной материи в мире завершил поиск» . news.brown.edu . Проверено 26 апреля 2019 г.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ «kISMET | Сэнфордский подземный исследовательский центр» . sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «ДУГЛ | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с «Рэймонд Дэвис-младший» . www.bnl.gov . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Нобелевская премия по физике 2002» . NobelPrize.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Образование STEM K-12 | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Информирование общественности | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Сэнфордский научно-образовательный центр» . www.bhsu.edu . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Что угодно, только не заброшенное | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Кампус Дэвиса | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Подземный кампус BHSU | Подземный исследовательский центр в Сэнфорде» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Маунт, Би Джей; Томас, Кей Джей; Оливер-Мэллори, КЦ; Леско, КТ; Шни, РВ; Хеннинг, Р.; Маклеллан, РФ; Герра МББ; Буш, М.; Кристоферсон, CD; Вилкерсон, Дж. Ф.; Сюй, В.; Мэй, Д. (2017). «Подземный кампус государственного университета Блэк-Хиллз» . Прикладное излучение и изотопы . 126 : 130–133. дои : 10.1016/j.apradiso.2017.02.025 . ПМИД 28314507 . S2CID 46109028 . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Наземная лаборатория LUX готова к установке детектора | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Завод по очистке сточных вод | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ Лаборатория, Эрин Броберг Сэнфорд. «Завод по очистке сточных вод Sanford Lab получил признание» . Медиа-группа журнала Rapid City Journal . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Лаборатория Сэнфорда посвятила глубину 4850 футов | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Демонстратор МАЙОРАНЫ | Подземный исследовательский центр Сэнфорда» . www.sanfordlab.org . Проверено 26 апреля 2019 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Сэнфордского подземного исследовательского центра Домашняя страница
44 ° 21'07 "с.ш. 103 ° 45'04" з.д. / 44,352 ° с.ш. 103,751 ° з.д.
Лаборатории подземной физики ( м вод. экв. защиты) | |
|---|---|
|
