Подземный исследовательский центр Сэнфорда - Sanford Underground Research Facility

В Подземный исследовательский центр Сэнфорда (SURF), или Sanford Lab, это подземная лаборатория в Свинец, южная Дакота. Самая глубокая подземная лаборатория в США, в ней проводятся многочисленные эксперименты в таких областях, как темная материя и нейтрино физические исследования, биология, геология и инженерия. В настоящее время на объекте размещено 28 активных исследовательских проектов, 24 из которых включают профессоров, студентов и аспирантов из университетов Южной Дакоты.

Sanford Lab находится в ведении Управления науки и технологий Южной Дакоты (SDSTA). Заявленная миссия SDSTA - «продвигать убедительные подземные, междисциплинарные исследования в безопасной рабочей среде, а также вдохновлять и обучать с помощью науки, технологий и инженерии».[1] SURF операции финансируются Министерство энергетики США через Национальная ускорительная лаборатория Ферми и через щедрое пожертвование (70 миллионов долларов) от Т. Денни Сэнфорд. Штат Южная Дакота также вложил в проект почти 70 миллионов долларов.

Научное исследование

Глубина, стабильность горных пород и история лаборатории Sanford Lab делают ее идеальной для чувствительных физических экспериментов, которым необходимо избежать космического излучения высокой энергии от Солнца. Кроме того, объект используется для исследователей, изучающих геологию, биологию и инженерию.[2] [3]

Список экспериментов

Эксперименты в стадии разработки:

ДЮНА, LBNF / размещено на сайте Fermilab: Ученые из эксперимента Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) надеются произвести революцию в нашем понимании роли нейтрино в создании Вселенной. Используя установку нейтрино с длинной базой (LBNF), они будут стрелять пучком нейтрино из Фермилаба в Батавии, штат Иллинойс, на расстояние 800 миль через землю к детекторам глубоко под землей в лаборатории Сэнфорд в Лиде, Южная Дакота.[4]

LUX-Zeplin: LUX-ZEPLIN (LZ) - это детектор темной материи нового поколения, который заменит эксперимент LUX глубоко под землей в Sanford Lab. Эксперимент продолжит поиск WIMPs (Слабо взаимодействующие массивные частицы) с использованием детектора, который в 30 раз больше и в 100 раз более чувствителен, чем LUX.[5]

Активные эксперименты:

EGS Collab: Проект сотрудничества по усовершенствованным геотермальным системам (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.[6]

CASPAR: Сотрудничество с Компактной ускорительной системой для проведения астрофизических исследований (CASPAR) использует ускоритель с низким энергопотреблением, чтобы лучше понять, как элементы производятся во Вселенной, с какой скоростью и сколько энергии производится во время процесса.[7]

Майорана Демонстратор: Majorana Demonstrator использует 40 кг чистых кристаллов германия, заключенных в модули криостата глубокой заморозки, чтобы ответить на один из самых сложных и важных вопросов физики: являются ли нейтрино их собственными античастицами? Если ответ положительный, потребуется переписать Стандартную модель частиц и взаимодействий, наше базовое понимание физического мира.[8]

GEOX TM: GEOX TM надеется создать самую большую в мире сеть подземных оптоволоконных датчиков деформации и температуры, а также наклономеров для измерения движения горных пород в подземной лаборатории. [9]

Прозрачная Земля: в рамках проекта разрабатывается глубокая сейсмическая обсерватория для научных исследований, разработки сенсорных технологий и обеспечения безопасности в лаборатории Сэнфорда.[10]

Предыдущие эксперименты:

ЛЮКС: В мае 2016 года завершился экспериментальный запуск эксперимента с большим подземным ксеноном (LUX). Хотя он не обнаружил темную материю, он был объявлен самым чувствительным детектором темной материи в мире. [11]

kISMET: KISMET (управление проницаемостью (k) и индуцированной сейсмичностью для энергетических технологий) пробурил и пробурил пять скважин глубиной 50 метров, чтобы узнать больше о структуре горных пород. Эксперимент был предшественником EGS Collab.[12]

ДУГЛ: В течение нескольких лет Глубокая подземная гравитационная лаборатория использовала 20 сейсмометров, стратегически размещенных на поверхности и на нескольких уровнях Сэнфордской лаборатории от 300 до 485 уровней. Размещенные в сетке сейсмометры отслеживали движение земли, давая исследователям трехмерную сейсмическую картину, которая использовалась для разработки будущих детекторов гравитационных волн. DUGL, который был выведен из эксплуатации в 2017 году, представлял собой гравитационно-волновую обсерваторию с лазерным интерферометром (LIGO ) связанный проект.[13]

Эксперимент с солнечным нейтрино (Эксперимент Дэвиса /Хоумстейк Эксперимент ): Раймонд Дэвис-младший., пионер в исследованиях нейтрино, построил детектор солнечных нейтрино глубоко под землей в Сэнфордской лаборатории.[14] Когда он обнаружил только треть того, что было предсказано, он непреднамеренно создал то, что стало называться «проблемой солнечных нейтрино». Другие эксперименты—Нейтринная обсерватория Садбери в Канаде и Супер Камиоканде в Японии - подтвердил работу Дэвиса, в результате чего он получил одну треть Нобелевской премии по физике 2001 года. [15]

Образование и пропаганда

Образовательная и информационная программа - совместное предприятие Sanford Lab и Государственный университет Блэк-Хиллз (БХСУ).[16] Программа предоставляет ресурсы для региональных преподавателей, включая 9 ассемблерных программ, 13 учебных модулей и 12 полевых поездок, чтобы продвинуть STEM-образование.[17]

Sanford Lab также проводит общественные информационные мероприятия, в том числе серию Deep Talks Science for Every и общегородской научный фестиваль Neutrino Day, который ежегодно привлекает 1500 участников. [18] Хотя общественные экскурсии по объекту недоступны, в 2015 году Sanford Lab построила Центр для посетителей Sanford Lab Homestake. Из этого центра для посетителей открывается вид на горный хребет открытого разреза глубиной 1000 футов. Он способствует тому, что общественность оценивает богатую историю добычи Lead и дает представление о научных достижениях Sanford Lab. [18]

Образовательный центр Sanford Science Education Center (SSEC), официально учрежденный весной 2014 года, является партнерством Sanford Underground Research Facility, Государственного университета Блэк-Хиллз и Центра для посетителей Sanford Lab Homestake. SSEC стремится к развитию и продвижению богатого инновационного опыта обучения и подготовке следующего поколения ученых, инженеров, математиков и преподавателей. SSEC оказывает поддержку образовательным и просветительским программам Sanford Lab, подземному кампусу BHSU и гостевому центру Sanford Lab Homestake.[19]

Средство

SURF расположен в бывшем Золотой рудник Хоумстейк и охватывает 223 акра на поверхности и 7700 акров под землей. Поверхность территории включает в себя как кампус Йейтса, так и кампус Росс, названные соответственно в честь шахт Йейтса и Росса, которые обеспечивают доступ к подземным областям. Имущество было подарено материнской компанией Homestake, Barrick Gold, SDSTA для использования в качестве специализированного исследовательского центра в 2006 году. [20]

Хоумстейк проложил более 370 миль подземных стволов, штреков и пандусов, а в Sanford Lab в настоящее время имеется около 12 миль для научных исследований. Главный уровень для науки - это уровень 4850, на который можно попасть через шахты Йейтса и Росса. На высоте 1490 метров SURF является самой глубокой подземной лабораторией в США. Для экспериментов на уровне 4850 средняя вскрыша породы составляет примерно 4300. метры водного эквивалента (м.в.э.). Эта глубина обеспечивает значительную защиту от космического излучения Солнца для экспериментов по физике чувствительных частиц. [2]

Два основных подземных кампуса, кампус Дэвиса и кампус Росс, проводят эксперименты на уровне 4850. [21]

Пещера Дэвиса

На территории кампуса Дэвиса находится пещера Дэвиса, в которой первоначально находился доктор Реймонд Дэвис-младший. Эксперимент с солнечным нейтрино и был переработан и расширен для экспериментов с темной материей. [14] Первый, Большой подземный ксеноновый эксперимент (LUX), эксплуатировалась с 2013 по 2016 год. [11] Пещера Дэвиса дала эксперименту среду, необходимую для того, чтобы стать самым чувствительным детектором темной материи в мире, и это место он удерживал более года после того, как был выведен из эксплуатации.

Эта современная лаборатория имеет резервуар для воды на 72 000 галлонов (272 549 литров), который служит дополнительной защитой от космического излучения; а также система деионизации воды, чистое помещение и диспетчерская для исследователей. Исследователи оснастили пещеру Дэвиса системой очистки ксенона, серверами, электроникой и самим экспериментом. Все они снова будут задействованы в эксперименте с темной материей следующего поколения LUX-ZEPLIN (LZ). [5]

Подземный кампус государственного университета Блэк-Хиллз

На уровне 4850 в подземном кампусе государственного университета Блэк-Хиллз (BHUC) находится низкофоновый счетный центр Sanford Lab - чистая комната класса 1000, содержащая несколько сверхчувствительных низкофоновых счетчиков (LBC), используемых для анализа материалов для сверхчувствительных экспериментов - а прилегающее рабочее пространство можно использовать для различных дисциплин. Объект находится под управлением государственного университета Блэк-Хиллз и включает пять действующих LBC. [22]

В этих LBC используются германиевые детекторы, размещенные в контейнерах из свинцового кирпича, для проверки материалов и определения 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 данные исследователям, позволяя им рассчитать, сколько радиоактивности они могут ожидать от своих материалов в течение всего срока эксперимента. [22]

Соглашение о консорциуме между владельцами LBC позволяет счетчикам быть доступными для других университетов и партнеров, создавая возможности для совместных исследований. Хотя счетчики предназначены для поддержки высокоприоритетных экспериментов, консорциум позволяет использовать эти счетчики для всех совместных работ и академических пользователей, когда есть свободное место. [23]

Лаборатория сборки поверхностей

Лаборатория сборки поверхностей (SAL) - это лаборатория площадью 780 квадратных футов с чистым помещением класса 1000. В этой лаборатории исследователи могут очистить и собрать части своих экспериментов перед их транспортировкой под землю. Чтобы приспособить эти процессы, SAL включает алюминиевое покрытие; воздушные шлюзы; подъемник; яма глубиной 12 футов для крупных монтажных проектов; и радон-редукционная система. [24]

Станция очистки сточных вод

С момента начала работы Sanford Lab в 2008 году миллиарды галлонов воды были обработаны на станции очистки сточных вод (WWTP). Чтобы вода, проникающая естественным путем, не накапливалась под землей, примерно 700 галлонов воды в минуту перекачиваются из-под земли в поверхностный резервуар, где она ожидает процесса очистки. Вода, перекачиваемая из самых глубоких штольней лаборатории Сэнфорда и хвостохранилища Grizzly Gulch, фильтруется через несколько систем, которые очищают воду от грязи, минералов и токсинов, обеспечивая безопасное возвращение в системы естественных водотоков. После обработки вода попадает в Gold Run Creek, который присоединяется Whitewood Creek в пределах нескольких сотен ярдов от выпускной трубы.[25]

Sanford Lab следит за состоянием этих водотоков, подсчитывает популяции рыб и макробеспозвоночных и проводит тесты на наличие загрязняющих веществ. Согласно этому постановлению, в 2019 году очистные сооружения были признаны Департаментом окружающей среды и природных ресурсов Южной Дакоты (DENR) одиннадцатый год подряд за их «выдающуюся работу системы сточных вод и соблюдение экологических требований» наградой DENR за разрешение на сброс поверхностных вод.[26]

История

Объект расположен на предыдущем золотом руднике Хоумстейк, глубоком подземном золотом руднике, основанном во время Золотая лихорадка Black Hills в 1876 г. В конце 1960-х гг. на руднике находился Домашний эксперимент. Операция, также известная как эксперимент Дэвиса, позволила Раймонд Дэвис младший для измерения потока солнечные нейтрино напрямую. [14] Расхождение измерений с потоком, предсказанным по солнце с яркость привело к развитию Дэвисом проблема солнечных нейтрино. Эксперимент «Хоумстейк» популяризировал шахту как ресурс среди научных кругов.

Когда Шахта Хоумстейк закрытый в 2002 году, Национальный научный фонд (NSF) уже рассматривал объект в качестве возможного будущего участка для глубинной подземной научно-технической лаборатории США (DUSEL). [20] В 2006 году тезка учреждения Т. Денни Сэнфорд пожертвовала предприятию 70 миллионов долларов, Barrick Gold Corporation пожертвовала землю, а в соответствии с законодательством штата было создано Управление науки и технологий Южной Дакоты (SDSTA), квазигосударственная организация. Кульминацией этих разработок стало создание 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. Подземное освящение проходило в помещении, которое теперь называется «Губернаторский уголок». [27]

В декабре 2010 года Национальный совет по науке решил не финансировать дальнейшее проектирование DUSEL. Однако в 2011 году Министерство энергетики через Национальную лабораторию Лоуренса Беркли согласилось поддержать научные операции в лаборатории. Сегодня деятельность Sanford Lab финансируется Министерство энергетики США через Национальная ускорительная лаборатория Ферми.

Первыми двумя крупными физическими экспериментами, расположенными на Уровне 4850, были эксперимент «Большой подземный ксенон» (LUX) и эксперимент «Демонстратор Майорана». LUX находится в той же пещере, которая была раскопана для эксперимента Рэя Дэвиса в 1960-х годах. В октябре 2013 года, после первоначального запуска в 80 дней, LUX был определен как самый чувствительный детектор темной материи в мире. [5] Эксперимент Майорана занимается поиском редкого типа радиоактивного распада, называемого «безнейтринный двойной бета-распад». Если бы это явление было обнаружено, это могло бы подтвердить, что нейтрино сами по себе античастицы, и дать ключ к разгадке того, почему материя преобладала над антивеществом. [28]

В 2017 году коллаборация Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) провела прорыв на уровне 4850 в лаборатории Сэнфорда, чтобы отметить начало раскопок объекта с длинными базами нейтрино, где будет проходить международный эксперимент DUNE. [4]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Управление науки и технологий Южной Дакоты | Подземный исследовательский центр Сэнфорда". www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  2. ^ а б "Обзор подземного исследовательского центра Сэнфорда | Подземный исследовательский центр Сэнфорда". www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  3. ^ "Углубляясь в науку | Подземный исследовательский центр Сэнфорда". www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  4. ^ а б "Фермилаб | ЛБНФ | Главная". lbnf.fnal.gov. Получено 2019-04-26.
  5. ^ а б c "Эксперимент LZ с темной материей". lz.lbl.gov. Получено 2019-04-26.
  6. ^ «Как работает усовершенствованная геотермальная система». Energy.gov. Получено 2019-04-26.
  7. ^ Дама, Маркетинговые коммуникации: Интернет // University of Notre. "Ускоритель CASPAR // Институт строения и ядерной астрофизики // Университет Нотр-Дам". Институт структуры и ядерной астрофизики. Получено 2019-04-26.
  8. ^ «Подземный нейтринный эксперимент создает основу для глубоких открытий в области материи | ORNL». www.ornl.gov. Получено 2019-04-26.
  9. ^ "GEOXTM | Подземный исследовательский центр в Сэнфорде". www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  10. ^ "Прозрачная Земля | Подземный исследовательский центр Сэнфорда". www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  11. ^ а б 21 июля; Стейси 401-863-3766, 2016 Контакт для СМИ: Кевин. «Самый чувствительный в мире детектор темной материи завершил поиск». news.brown.edu. Получено 2019-04-26.
  12. ^ "КИСМЕТ | Подземный исследовательский центр Сэнфорда". sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  13. ^ "DUGL | Подземный исследовательский центр в Сэнфорде". sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  14. ^ а б c "Раймонд Дэвис-младший". www.bnl.gov. Получено 2019-04-26.
  15. ^ «Нобелевская премия по физике 2002 г.». NobelPrize.org. Получено 2019-04-26.
  16. ^ "K-12 STEM-образование | Подземный исследовательский центр Сэнфорда". www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  17. ^ "K-12 STEM-образование | Подземный исследовательский центр Сэнфорда". www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  18. ^ а б "Работа с общественностью | Подземный исследовательский центр Сэнфорда". www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  19. ^ "Сэнфордский научно-образовательный центр". www.bhsu.edu. Получено 2019-04-26.
  20. ^ а б «Все, что угодно, только не заброшенный | Подземный исследовательский центр Сэнфорда». www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  21. ^ «Кампус Дэвиса | Подземный исследовательский центр Сэнфорда». www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  22. ^ а б "Подземный кампус BHSU | Подземный исследовательский центр Сэнфорда". www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  23. ^ "ScienceDirect". www.sciencedirect.com. Дои:10.1016 / j.apradiso.2017.02.025. Получено 2019-04-26.
  24. ^ «Лаборатория на поверхности LUX готова для установки детектора | Подземный исследовательский центр в Санфорде». www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  25. ^ «Станция очистки сточных вод | Подземный исследовательский центр Сэнфорда». www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  26. ^ Лаборатория, Эрин Броберг Сэнфорд. «Завод по очистке сточных вод Sanford Lab получил признание». Медиа-группа Rapid City Journal. Получено 2019-04-26.
  27. ^ «Сэнфордская лаборатория посвятила 4850 футов под землей | Подземный исследовательский центр Сэнфорда». www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.
  28. ^ "MAJORANA Demonstrator | Подземный исследовательский центр Сэнфорда". www.sanfordlab.org. Получено 2019-04-26.

внешняя ссылка

Координаты: 44 ° 21′07 ″ с.ш. 103 ° 45′04 ″ з.д. / 44,352 ° с.ш.103,751 ° з. / 44.352; -103.751