作者:宗华 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/8/1 16:10:17
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废金矿里寻粒子
美国长基线中微子设施破土动工

霍姆斯特克金矿曾是北美最大、最深的金矿。

图片来源:Matthew Kapust

近日,物理学家和政客们在美国南达科他州一座曾经的矿山上聚集,为该国下一项重要的粒子物理实验奠基。这项名为长基线中微子设施(LBNF)的实验,将从位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室(Fermilab),向1300公里外的庞大粒子探测器发射被称为中微子的难以捉摸的粒子束。该探测器位于南达科他州莱德市一处废弃的金矿内。

为建造这座模块化探测器,工人们需要在1480米深的地下挖出巨大洞穴,将重量和十几艘航空母舰相当的石头运走,然后用卡车运进来几百万吨冷冻液氩。

“看到项目真正开始建设,我们非常激动。”位于莱德市的南达科他州科学技术管理局局长Mike Headley表示,“项目正在推进,并且将从科学意义上给美国带来重要影响。对此,我们兴奋不已。”Headley还是桑福德地下研究设施(SURF)的负责人。SURF是南达科他州利用慈善家丹尼•桑福德提供的7000万美元捐赠,于2006年在霍姆斯特克开建的小型实验室。

中微子或许是最神秘的亚原子粒子,数量超过任何一种物质粒子。然而,它们的相互作用是如此微弱,以至于尽管每秒有上万亿中微子穿过人体,但并未被注意到。中微子以3种类型存在:电子、μ介子和τ介子。它们能转换成,或者说振荡成另外两种中微子。通过将来自粒子加速器的μ介子中微子发射至遥远的地下探测器,物理学家已经勾勒出此类“中微子振荡”的基本框架。LBNF旨在进一步明确所有细节,并且让物理学家提出的关于该现象的理论接受严峻考验。与此同时,它将寻找中微子和反中微子之间的轻微不对称,而这对于解释婴儿期的宇宙如何产生远多于反物质的物质至关重要。LBNF还将探寻更加怪异的新物理学现象的痕迹。

早在2001年,科学家便提议建造此类实验设施,作为一个设在霍姆斯特克且由美国国家科学基金会(NSF)提供资助的更大的多用途实验室的一部分。不过,2010年,为NSF设置政策的美国国家科学委员会拒绝了这一想法,并且让能源部(DOE)着手建造中微子实验设施。此后,随着物理学家和DOE官员就该部门能负担的费用不断讨价还价,此项努力的规模和范围变来变去。2014年,他们同意将实验恢复到原有范围,并且使其成为一个国际项目。目前,DOE有望负担15亿美元的全部开支。如今被单独称为地下深处中微子实验(DUNE)的探测器本身,将包括4个巨大的超纯液氩罐。

不过,在科学家能建造实验设施前,工程师和工人必须大大扩展SURF。他们将炸出4个约70米长、20米宽和29米高的洞以及更长、更低的服务大厅。Fermilab土木工程师、LBNF常规设施项目经理Tracy Lundin介绍说,他们将挖出约790吨岩石。这些岩石将分批“搭乘”矿山现有的牵引电梯,随后被一个1200米长的传送带运送,然后被放置在一个由此前的地表采矿工作留下的洞中。挖掘工作可能持续3年左右。

Lundin表示,尽管这些数字令人头晕目眩,但此类挖掘并非史无前例。“在地下建筑领域,这是一个大中型项目。”同时,工程师和工人遇到了一个有利条件:岩石中的残余应力适中,从而减少了挖掘期间岩石断裂或移动的风险。

一旦工人挖开洞穴,他们将建造盛放液氩的钢储罐。Fermilab工程师、LBNF低温基础设施项目经理David Montanari介绍说,工程师借鉴了一种所谓的薄膜低温恒温器技术。目前,该技术被用在运送液态天然气的油轮船舶中。罐子的内衬层将包括一薄层波纹钢,并且被一层厚厚的绝缘材料和外层钢支撑材料包围。“我们试图不去白费力气做重复工作。”Montanari表示,“我们将利用尽可能多的传统技术。”

和油轮船舶相比,这些建在地下深处的钢储罐的位置或许使其在某种程度上更难建造。“能进到矿井下面的钢块有最大尺寸的限制。”Fermilab物理学家、DUNE技术协调专员Eric James介绍说,“因此,你不得不设计一些东西,以便于它们能被一片一片地拼装起来,并且仍能承受所有液氩施加的压力。”(宗华编译)

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