Подземный исследовательский центр Санфорда (SURF) или Sanford Lab — это подземная лаборатория в Лиде, Южная Дакота . Самая глубокая подземная лаборатория в Соединенных Штатах, в ней проводятся многочисленные эксперименты в таких областях, как исследования темной материи и физики нейтрино , биология, геология и инженерия. В настоящее время в здании ведется 28 активных исследовательских проектов.
Sanford Lab управляется Управлением по науке и технологиям Южной Дакоты (SDSTA). Операции SURF финансируются Министерством энергетики США через Национальную ускорительную лабораторию Ферми и пожертвованием в размере 70 млн долларов от Т. Денни Сэнфорда . Штат Южная Дакота также внес почти 70 млн долларов в проект.
Глубина, стабильность горных пород и история лаборатории Sanford Lab делают ее идеальной для чувствительных физических экспериментов, которым необходимо избегать высокоэнергетического космического излучения от солнца. Кроме того, объект используется для исследователей, изучающих геологию, биологию и инженерию. [1] [2]
DUNE , LBNF/hosted by Fermilab: Ученые с Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) надеются произвести революцию в нашем понимании роли нейтрино в создании Вселенной. Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) будет стрелять пучком нейтрино из Fermilab в Батавии, штат Иллинойс, на расстояние 800 миль сквозь землю к детекторам глубоко под землей в Sanford Lab в Лиде, Южная Дакота. [3]
LUX-Zeplin : LUX-ZEPLIN (LZ) — это детектор темной материи следующего поколения, который заменил эксперимент 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, чем LUX. [4]
CASPAR: Сотрудничество Компактной ускорительной системы для выполнения астрофизических исследований (CASPAR) использует низкоэнергетический ускоритель (длиной 50 футов), чтобы лучше понять, как химические элементы производятся во Вселенной, с какой скоростью и сколько энергии вырабатывается в ходе этого процесса. Строительство ускорителя началось около 2015 года, а первый луч был получен в 2017 году. [5] Весной 2021 года эксперимент CASPAR был законсервирован из-за начавшихся поблизости раскопок. Ускоритель был разобран и отправлен на хранение. Исследовательская группа планирует вернуться в SURF в будущем. [6]
Majorana Demonstrator : Majorana Demonstrator 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 своими собственными античастицами? Если ответ да, то потребуется переписать Стандартную модель частиц и взаимодействий, наше базовое понимание физического мира. [7]
CUSSP: Центр понимания сигналов и проницаемости подземных пластов стремится улучшить извлечение энергии из геотермальных источников, лучше понимая, как вызывать трещины в геотермальных резервуарах и направлять поток нагретой воды. Скважины на уровне 4100 контролируют закачку и извлечение воды с помощью электроимпедансной томографии и анализа сейсмических сигналов. [8]
GEOXTM: GEOXTM надеется создать самую большую и глубокую в мире сеть подземных волоконно-оптических датчиков деформации и температуры, а также наклономеров для измерения движения горных пород в подземной лаборатории. [9]
Прозрачная Земля: проект направлен на создание глубокой сейсмической обсерватории для научных исследований, разработки сенсорных технологий и обеспечения безопасности в лаборатории Сэнфорда. [10]
LUX: В мае 2016 года эксперимент Large Underground Xenon (LUX) завершил свой экспериментальный запуск. Хотя он не обнаружил темную материю, он был объявлен самым чувствительным детектором темной материи в мире на тот момент. [11]
kISMET: kISMET (проницаемость (k) и управление вызванной сейсмичностью для энергетических технологий) пробурил и извлек пять скважин глубиной 50 метров, чтобы узнать больше о структуре горных пород. Эксперимент был предшественником EGS Collab. [12]
EGS Collab : Проект Enhanced Geothermal Systems (EGS) Collab представляет собой совместный проект восьми национальных лабораторий и шести университетов, которые работают над улучшением геотермальных технологий. EGS проводит полевые эксперименты для лучшего понимания и моделирования трещиноватости горных пород и других элементов геотермальной энергии. [13] Эксперимент был предшественником CUSSP.
DUGL: В течение нескольких лет Лаборатория глубокой подземной гравитации использовала 20 сейсмометров, стратегически размещенных на поверхности и на нескольких уровнях лаборатории Сэнфорда с 300-го по 485-й уровень. Размещенные в сетке, сейсмометры отслеживали движение грунта , предоставляя исследователям трехмерную сейсмическую картину, которая использовалась для информирования о конструкции будущих детекторов гравитационных волн. DUGL, которая была выведена из эксплуатации в 2017 году, была проектом, связанным с лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией ( LIGO ). [14]
.jpg/1280px-HD.6B.411_(13448109675).jpg)
Эксперимент с солнечными нейтрино (эксперимент Дэвиса/эксперимент Хоумстейка): Рэймонд Дэвис-младший , пионер в исследовании нейтрино, построил детектор солнечных нейтрино глубоко под землей в лаборатории Сэнфорда. [15] 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 — подтвердили работу Дэвиса, заработав ему одну четвертую часть [примечание 1] Нобелевской премии по физике в 2002 году. [16]
Программа «Образование и просветительская деятельность» является совместным начинанием Sanford Lab и Black Hills State University (BHSU). [17] Программа предоставляет ресурсы для региональных педагогов, включая 9 программ собраний, 13 учебных модулей и 12 экскурсий в целях продвижения STEM-образования. [17]
Sanford Lab также проводит публичные мероприятия, включая серию Deep Talks Science for Everyone и общегородской научный фестиваль Neutrino Day, который ежегодно привлекает 1500 посетителей. [18] Хотя публичные экскурсии по объекту недоступны, в 2015 году Sanford Lab построила Центр для посетителей Sanford Lab Homestake . С видом на хребет открытого разреза глубиной 1000 футов центр для посетителей способствует общественному признанию богатой истории добычи свинца и пониманию прогресса науки в Sanford Lab. [18]
Официально созданный весной 2014 года, Sanford Science Education Center (SSEC) является партнерством между Sanford Underground Research Facility, Black Hills State University и Sanford Lab Homestake Visitor Center. SSEC стремится развивать и содействовать насыщенному, инновационному опыту обучения и готовить следующее поколение ученых, инженеров, математиков и педагогов. SSEC оказывает поддержку программам Sanford Lab Education and Outreach, BHSU Underground Campus и Sanford Lab Homestake Visitor Center. [19]
SURF расположен на территории бывшего золотого рудника Homestake и охватывает 223 акра на поверхности и 7700 акров под землей. Наземная собственность включает в себя кампус Йейтса и кампус Росса, названные соответственно в честь шахт Йейтса и Росса, которые обеспечивают доступ к подземным областям. Собственность была передана в дар материнской компанией Homestake, Barrick Gold, SDSTA для использования в качестве специализированного исследовательского центра в 2006 году. [20]
Homestake вырыл более 370 миль подземных шахт, штреков и пандусов, а Sanford Lab в настоящее время поддерживает около 12 миль для научной деятельности. Основным уровнем для науки является уровень 4850, на который можно попасть через шахты Йейтса и Росса. SURF на глубине 1490 метров является самой глубокой подземной лабораторией в США. Для экспериментов на уровне 4850 средняя толщина скального покрова составляет приблизительно 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, принимают эксперименты на уровне 4850. [21]
В кампусе Дэвиса находится пещера Дэвиса, в которой изначально проводился эксперимент по исследованию солнечных нейтрино доктора Рэймонда Дэвиса-младшего , а затем она была перепроектирована и расширена для экспериментов с темной материей. [15] Первая из них, Большой подземный ксеноновый эксперимент (LUX), работала с 2013 по 2016 год. [11] Пещера Дэвиса предоставила эксперименту среду, необходимую для того, чтобы он стал самым чувствительным детектором темной материи в мире, и это положение он сохранял более года после того, как был выведен из эксплуатации.
Эта современная лаборатория оснащена резервуаром для воды объемом 72 000 галлонов (272 549 литров), который служит дополнительной защитой от космической радиации; а также системой деионизации воды, чистой комнатой и комнатой управления для исследователей. Исследователи оснастили пещеру Дэвиса системой очистки ксенона, серверами, электроникой и самим экспериментом. Все это снова работает для эксперимента следующего поколения с темной материей LUX-ZEPLIN (LZ). [4]
На уровне 4850 в подземном кампусе университета штата Блэк-Хиллз (BHUC) размещается низкофоновый счетный центр лаборатории Санфорда — чистая комната класса 1000, содержащая несколько сверхчувствительных низкофоновых счетчиков (LBC), используемых для анализа материалов для сверхчувствительных экспериментов, — и прилегающее рабочее пространство, которое может использоваться для различных дисциплин. Объект находится в ведении университета штата Блэк-Хиллз и вмещает пять действующих LBC. [22]
Эти LBC используют германиевые детекторы, размещенные в свинцовых кирпичных контейнерах, для скрининга материалов, определяя ионизирующее излучение, испускаемое 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 увидеть от своих материалов в течение всего срока эксперимента. [22]
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 также для всех совместных проектов и академических пользователей, когда есть свободное место. [23]
Лаборатория поверхностной сборки (SAL) — это лаборатория площадью 780 квадратных футов с чистой комнатой класса 1000. Эта лаборатория предоставляет исследователям пространство для очистки и сборки частей их экспериментов перед их транспортировкой под землю. Для размещения этих процессов SAL включает алюминиевые листы; воздушные шлюзы; подъемник; яму глубиной 12 футов для крупных сборочных проектов; и систему снижения радона. [24]
С тех пор как лаборатория Sanford Lab начала свою работу в 2008 году, на очистных сооружениях сточных вод (WWTP) были очищены миллиарды галлонов воды. Чтобы не допустить накопления под землей естественно просачивающейся воды, около 700 галлонов воды в минуту перекачиваются из-под земли в поверхностный резервуар, где она ожидает процесса очистки. Вода, откачиваемая из самых глубоких штреков лаборатории Sanford Lab и хвостохранилища Grizzly Gulch, фильтруется через несколько систем, которые очищают воду от грязи, минералов и токсинов, что делает ее безопасной для возврата в естественные ручьи. После очистки вода сбрасывается в ручей Gold Run Creek , который впадает в ручей Whitewood Creek в нескольких сотнях ярдов от выпускной трубы. [25]
Sanford Lab следит за состоянием этих ручьев, подсчитывая популяции рыб и макробеспозвоночных, а также проводит тесты на наличие загрязняющих веществ. В 2019 году WWTP одиннадцатый год подряд была отмечена Департаментом окружающей среды и природных ресурсов Южной Дакоты (DENR) за «выдающуюся работу системы сточных вод и соблюдение экологических норм» наградой DENR за разрешение на сброс поверхностных вод. [26]
_the_Sanford_Underground_Research_Center.jpg/1280px-Homestake_Mine_now_(2016)_the_Sanford_Underground_Research_Center.jpg)
Объект расположен на месте бывшего золотого рудника Homestake, глубокого подземного золотого рудника, основанного во время золотой лихорадки в Блэк-Хиллз в 1876 году. В конце 1960-х годов на руднике проводился эксперимент Homestake . Операция, также известная как эксперимент Дэвиса, позволила Рэймонду Дэвису-младшему напрямую измерить поток солнечных нейтрино . [15] Расхождение измерений с потоком, предсказанным на основе светимости Солнца , привело к разработке Дэвисом проблемы солнечных нейтрино . Эксперимент Homestake популяризировал рудник как ресурс среди научных сообществ.
Когда в 2002 году закрылась шахта Хоумстейк , Национальный научный фонд (NSF) уже рассматривал объект как возможное будущее место для Глубокой подземной научно-технической лаборатории США (DUSEL). [20] В 2006 году тезка объекта Т. Денни Сэнфорд пожертвовал объекту 70 миллионов долларов, Barrick Gold Corporation сделала пожертвование земли, а законодательство штата сформировало Управление науки и технологий Южной Дакоты (SDSTA), квазигосударственную организацию. Эти разработки достигли кульминации с созданием Лаборатории Сэнфорда в 2007 году.
После обширного процесса осушения, 4850-й уровень лаборатории Сэнфорда был освящен губернатором Южной Дакоты Майком Раундсом и Т. Денни Сэнфордом в 2009 году. Подземное освящение состоялось в месте, которое теперь обозначено как Уголок губернатора. [27]
В декабре 2010 года Национальный научный совет принял решение не финансировать дальнейшее проектирование DUSEL. Однако в 2011 году Министерство энергетики США через Национальную лабораторию Лоуренса в Беркли согласилось поддержать научные операции в лаборатории. Сегодня операции Sanford Lab финансируются 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 находится в той же пещере, которая была вырыта для эксперимента Рэя Дэвиса в 1960-х годах. В октябре 2013 года, после первоначального запуска в течение 80 дней, LUX был признан самым чувствительным детектором темной материи в мире. [4] Эксперимент «Майорана» ищет редкий тип радиоактивного распада, называемый «двойной бета-распад без нейтрино». Если бы это явление было обнаружено, это могло бы подтвердить, что нейтрино являются своими собственными античастицами, и дать подсказки относительно того, почему материя преобладает над антиматерией. [28]
В 2017 году в рамках проекта Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) была проведена закладка фундамента на уровне 4850 лаборатории Сэнфорда, что ознаменовало начало раскопок для установки Long-Baseline Neutrino Facility, где будет проводиться международный эксперимент DUNE. [3]
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )44°21′07″с.ш. 103°45′04″з.д. / 44,352°с.ш. 103,751°з.д. / 44,352; -103,751