El Sanford Underground Research Facility (SURF) , o Laboratorio Sanford , es un laboratorio subterráneo ubicado en Lead, Dakota del Sur . Es el laboratorio subterráneo más profundo de los Estados Unidos y alberga múltiples experimentos en áreas como la investigación de la materia oscura y la física de neutrinos , la biología, la geología y la ingeniería. Actualmente, hay 28 proyectos de investigación activos en las instalaciones.
El Laboratorio Sanford está gestionado por la Autoridad de Ciencia y Tecnología de Dakota del Sur (SDSTA). Las operaciones de SURF están financiadas por el Departamento de Energía de los EE. UU. a través del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi y gracias a una donación de 70 millones de dólares de T. Denny Sanford . El estado de Dakota del Sur también contribuyó con casi 70 millones de dólares al proyecto.
La profundidad, la estabilidad de las rocas y la historia del Laboratorio Sanford lo hacen ideal para experimentos de física sensibles que necesitan escapar de la radiación cósmica de alta energía del sol. Además, la instalación se utiliza para investigadores que estudian geología, biología e ingeniería. [1] [2]
DUNE , LBNF/organizado por Fermilab: los científicos del experimento Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) esperan revolucionar nuestra comprensión del papel que desempeñan los neutrinos en la creación del universo. El Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) disparará un haz de neutrinos desde el Fermilab en Batavia, Illinois, a 800 millas a través de la Tierra hasta los detectores en las profundidades subterráneas del Laboratorio Sanford en Lead, Dakota del Sur. [3]
LUX-Zeplin : LUX-ZEPLIN (LZ) es un detector de materia oscura de última generación que reemplazó al experimento LUX en las profundidades subterráneas del Laboratorio Sanford. El experimento continúa la búsqueda de WIMP (partículas masivas de interacción débil) utilizando un detector que es 30 veces más grande y 100 veces más sensible que LUX. [4]
Proyecto de colaboración EGS : el proyecto de colaboración Enhanced Geothermal Systems (EGS) es una colaboración de ocho laboratorios nacionales y seis universidades que trabajan para mejorar las tecnologías geotérmicas. EGS lleva a cabo experimentos de campo para comprender y modelar mejor la fracturación de rocas y otros elementos de la energía geotérmica. [5]
CASPAR: la colaboración del Sistema Acelerador Compacto para la Investigación Astrofísica (CASPAR) utiliza un acelerador de baja energía (de 15 metros de largo) para comprender mejor cómo se producen los elementos químicos en el Universo y a qué ritmo y cuánta energía se produce durante el proceso. La construcción del acelerador comenzó alrededor de 2015 y logró el primer haz en 2017. [6] En la primavera de 2021, el experimento CASPAR se suspendió debido a que se iniciaron excavaciones en las cercanías. El acelerador se desmontó y se almacenó. El grupo de investigación planea regresar a SURF en el futuro. [7]
Demostrador Majorana : El Demostrador Majorana utiliza 40 kilogramos de cristales de germanio puro encerrados en módulos criostáticos congelados para responder a una de las preguntas más desafiantes e importantes de la física: ¿son los neutrinos sus propias antipartículas? Si la respuesta es sí, será necesario reescribir el Modelo Estándar de Partículas e Interacciones, nuestra comprensión básica del mundo físico. [8]
GEOXTM: GEOXTM espera crear la red más grande y profunda del mundo de sensores de tensión y temperatura de fibra óptica y de inclinómetros subterráneos para medir el movimiento de los sistemas de rocas en el laboratorio subterráneo. [9]
Tierra Transparente: El proyecto está desarrollando un observatorio sísmico profundo para investigaciones científicas, desarrollo de tecnología de sensores y seguridad en el Laboratorio Sanford. [10]
LUX: En mayo de 2016, el Gran Experimento Subterráneo de Xenón (LUX) completó su ciclo experimental. Aunque no detectó materia oscura, fue declarado el detector de materia oscura más sensible del mundo en ese momento. [11]
kISMET: El equipo kISMET (permeabilidad (k) y gestión de sismicidad inducida para tecnologías energéticas) perforó y extrajo cinco pozos de 50 metros de profundidad para aprender más sobre la estructura de las rocas. El experimento fue un precursor de EGS Collab. [12]
DUGL: Durante varios años, el Laboratorio de Gravedad Subterránea Profunda utilizó 20 sismómetros colocados estratégicamente en la superficie y en varios niveles del Laboratorio Sanford, desde el nivel 300 hasta el 485. Colocados en una cuadrícula, los sismómetros monitoreaban el movimiento del suelo , lo que brindaba a los investigadores una imagen sísmica tridimensional que se utilizó para informar el diseño de futuros detectores de ondas gravitacionales. DUGL, que se desmanteló en 2017, era un proyecto relacionado con el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser ( LIGO ). [13]
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Experimento de neutrinos solares (experimento Davis/experimento Homestake): Raymond Davis Jr. , un pionero en la investigación de neutrinos, construyó un detector de neutrinos solares en las profundidades del laboratorio de Sanford. [14] Cuando descubrió solo un tercio de lo que se había predicho, creó inadvertidamente lo que llegó a llamarse el "problema de los neutrinos solares". Otros experimentos ( el Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Canadá y el Super Kamiokande en Japón) reivindicaron el trabajo de Davis, lo que le valió una cuarta parte [nota 1] del Premio Nobel de Física en 2002. [15]
El programa de Educación y Difusión es una iniciativa de colaboración entre Sanford Lab y la Universidad Estatal de Black Hills (BHSU). [16] El programa proporciona recursos para educadores regionales, incluidos 9 programas de asamblea, 13 módulos curriculares y 12 viajes de campo en un esfuerzo por promover la educación STEM. [16]
El Laboratorio Sanford también organiza eventos de divulgación pública, incluida la serie Deep Talks Science for Everyone y un festival de ciencia en toda la ciudad, Neutrino Day, que atrae a 1500 asistentes anualmente. [17] Si bien no se ofrecen visitas públicas a las instalaciones, en 2015, el Laboratorio Sanford construyó el Centro de visitantes Homestake del Laboratorio Sanford . Con vista a la cresta del tajo abierto de 1000 pies de profundidad, el centro de visitantes promueve la apreciación pública de la rica historia minera de Lead y la comprensión de la ciencia que avanza en el Laboratorio Sanford. [17]
El Centro de Educación Científica de Sanford (Sanford Science Education Center, SSEC), que se formalizó en la primavera de 2014, es una asociación entre el Centro de Investigación Subterránea de Sanford, la Universidad Estatal de Black Hills y el Centro de Visitantes Homestake del Laboratorio Sanford. El SSEC se compromete a desarrollar y facilitar experiencias de aprendizaje enriquecedoras e innovadoras y a preparar a la próxima generación de científicos, ingenieros, matemáticos y educadores. El SSEC brinda apoyo a los programas de Educación y Difusión del Laboratorio Sanford, al Campus Subterráneo de BHSU y al Centro de Visitantes Homestake del Laboratorio Sanford. [18]
SURF está ubicada en la antigua mina de oro Homestake y abarca 223 acres en la superficie y 7,700 acres bajo tierra. La propiedad de la superficie incluye tanto el Campus Yates como el Campus Ross, llamados respectivamente por los pozos Yates y Ross, que brindan acceso a áreas subterráneas. La propiedad fue donada por la empresa matriz de Homestake, Barrick Gold, a la SDSTA para su uso como centro de investigación especializado en 2006. [19]
Homestake excavó más de 370 millas de pozos, galerías y rampas subterráneas, y el Laboratorio Sanford actualmente mantiene alrededor de 12 millas para actividades científicas. El nivel principal para la ciencia es el Nivel 4850, al que se puede acceder a través de los pozos Yates y Ross. A 1.490 metros, SURF es el laboratorio subterráneo más profundo de los EE. UU. Para los experimentos en el Nivel 4850, la sobrecarga de roca promedio es de aproximadamente 4.300 metros de equivalente de agua (mwe). Esta profundidad proporciona una protección significativa contra la radiación cósmica del sol para experimentos sensibles de física de partículas. [1]
Dos campus subterráneos principales, el Campus Davis y el Campus Ross, albergan experimentos en el nivel 4850. [20]
Dentro del Campus Davis se encuentra la Caverna Davis, que originalmente albergó el Experimento de Neutrinos Solares del Dr. Raymond Davis Jr. y fue rediseñada y ampliada para experimentos de materia oscura. [14] El primero, el Gran Experimento Subterráneo de Xenón (LUX), operó de 2013 a 2016. [11] La Caverna Davis le dio al experimento el entorno que necesitaba para convertirse en el detector de materia oscura más sensible del mundo, un lugar que mantuvo durante más de un año después de que fuera desmantelado.
Este laboratorio de última generación cuenta con un tanque de agua de 72.000 galones (272.549 litros), que sirve como protección adicional contra la radiación cósmica, y un sistema de desionización de agua, una sala limpia y una sala de control para los investigadores. Los investigadores equiparon la Caverna Davis con un sistema de purificación de xenón, servidores, electrónica y el propio experimento. Todo esto está en servicio una vez más para el experimento de materia oscura de próxima generación, LUX-ZEPLIN (LZ). [4]
En el nivel 4850, el campus subterráneo de la Universidad Estatal de Black Hills (BHUC) alberga la instalación de conteo de bajo fondo del Laboratorio Sanford, una sala limpia de clase 1000 que contiene varios contadores de bajo fondo (LBC) ultrasensibles que se utilizan para analizar materiales para experimentos ultrasensibles, y un espacio de trabajo adyacente que se puede utilizar para una variedad de disciplinas. La instalación está administrada por la Universidad Estatal de Black Hills y alberga cinco LBC operativos. [21]
Estos LBC utilizan detectores de germanio alojados en contenedores de ladrillos de plomo para examinar los materiales, identificando la radiación ionizante liberada por un material con el tiempo a medida que sus elementos radiactivos se desintegran. Este proceso de conteo ayuda a los investigadores a decidir qué tipos de materiales son los más adecuados para sus experimentos. También proporciona datos a los investigadores, lo que les permite calcular cuánta radiactividad pueden esperar ver proveniente de sus materiales durante la vida útil de un experimento. [21]
Un acuerdo de consorcio entre los propietarios del LBC permite que los contadores estén disponibles para otras universidades y socios, lo que crea oportunidades para la investigación colaborativa. Si bien los contadores están dedicados a respaldar experimentos de alta prioridad, el consorcio permite que esos contadores también se utilicen para todas las colaboraciones y usuarios académicos cuando haya espacio libre. [22]
El Laboratorio de Ensamblaje de Superficie (SAL, por sus siglas en inglés) es un laboratorio de 780 pies cuadrados con una sala limpia de clase 1000. Este laboratorio ofrece espacio para que los investigadores limpien y ensamblen partes de sus experimentos, antes de transportarlas bajo tierra. Para dar cabida a estos procesos, el SAL incluye láminas de aluminio; esclusas de aire; un montacargas; un pozo de 12 pies de profundidad para grandes proyectos de ensamblaje; y un sistema de reducción de radón. [23]
Desde que el Laboratorio Sanford comenzó a operar en 2008, se han tratado miles de millones de galones de agua en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (WWTP). Para evitar que el agua que se infiltra naturalmente se acumule bajo tierra, se bombean aproximadamente 700 galones de agua por minuto desde el subsuelo hasta un depósito de superficie donde espera el proceso de tratamiento. El agua, bombeada desde los depósitos más profundos del Laboratorio Sanford y el depósito cargado de relaves de Grizzly Gulch, se filtra a través de múltiples sistemas que limpian la suciedad, los minerales y las toxinas del agua, lo que la hace segura para regresar a los sistemas de arroyos naturales. Una vez tratada, el agua se vierte en Gold Run Creek , que se une a Whitewood Creek a unos cientos de metros de la tubería de descarga. [24]
El Laboratorio Sanford monitorea la salud de estos arroyos, cuenta las poblaciones de peces y macroinvertebrados y realiza pruebas para detectar contaminantes. Por esta regulación, en 2019, la planta de tratamiento de aguas residuales fue reconocida por undécimo año consecutivo por el Departamento de Medio Ambiente y Recursos Naturales de Dakota del Sur (DENR) por su “operación sobresaliente del sistema de aguas residuales y cumplimiento ambiental” con el Premio de Permiso de Descarga de Aguas Superficiales del DENR. [25]
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La instalación está ubicada en la antigua mina de oro Homestake, una mina de oro subterránea profunda fundada durante la fiebre del oro de Black Hills en 1876. A fines de la década de 1960, la mina albergó el experimento Homestake . La operación, también conocida como el experimento Davis, permitió a Raymond Davis, Jr. medir directamente el flujo de neutrinos solares . [14] La discrepancia de las mediciones con el flujo predicho a partir de la luminosidad del Sol condujo al desarrollo por parte de Davis del problema de los neutrinos solares . El experimento Homestake publicitó la mina como un recurso entre las comunidades científicas.
Cuando la mina Homestake cerró en 2002, la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) ya había considerado la instalación como un posible emplazamiento futuro para el Laboratorio de Ciencia e Ingeniería Subterránea de los Estados Unidos (DUSEL). [19] En 2006, el homónimo de la instalación, T. Denny Sanford, donó 70 millones de dólares a la instalación, Barrick Gold Corporation hizo una donación de tierras y la legislación estatal formó la Autoridad de Ciencia y Tecnología de Dakota del Sur (SDSTA), una entidad cuasi gubernamental. Estos avances culminaron con la creación del Laboratorio Sanford en 2007.
Después de un extenso proceso de deshidratación, el nivel 4850 del Laboratorio de Sanford fue inaugurado por el gobernador de Dakota del Sur, Mike Rounds , y T. Denny Sanford en 2009. La inauguración subterránea tuvo lugar en un espacio ahora designado como Governor's Corner. [26]
En diciembre de 2010, el Consejo Nacional de Ciencias decidió no financiar más el diseño de DUSEL. Sin embargo, en 2011, el Departamento de Energía, a través del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, acordó apoyar las operaciones científicas del laboratorio. En la actualidad, las operaciones del Laboratorio Sanford están financiadas por el Departamento de Energía de los EE. UU. a través del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi .
Los dos primeros experimentos de física importantes ubicados en el nivel 4850 fueron el experimento Large Underground Xenon (LUX) y el experimento Majorana Demonstrator. LUX está ubicado en la misma caverna que fue excavada para el experimento de Ray Davis en la década de 1960. En octubre de 2013, después de un funcionamiento inicial de 80 días, se determinó que LUX era el detector de materia oscura más sensible del mundo. [4] El experimento Majorana está buscando un tipo raro de desintegración radiactiva llamada “desintegración doble beta sin neutrinos”. Si se detectara este fenómeno, podría confirmar que los neutrinos son sus propias antipartículas y proporcionar pistas sobre por qué la materia prevaleció sobre la antimateria. [27]
En 2017, la colaboración Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) realizó una ceremonia de inicio de las obras en el nivel 4850 del Laboratorio Sanford para marcar el inicio de la excavación de la Instalación de Neutrinos de Línea de Base Larga, que albergará el experimento internacional DUNE. [3]
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