Laboratorio subterráneo de China Jinping

El Laboratorio Subterráneo Jinping de China ( en chino :中国锦屏地下实验室; pinyin : Zhōngguó jǐn píng dìxià shíyàn shì ) es un laboratorio subterráneo profundo en las montañas Jinping de Sichuan , China. La tasa de rayos cósmicos en el laboratorio es inferior a 0,2 muones/m2 ^/ día, ^[5] lo que coloca al laboratorio a una profundidad de 6720 mwe ^[6]^{: 2} y lo convierte en el laboratorio subterráneo mejor protegido del mundo. ^[7]^{: 17} La profundidad real del laboratorio es de 2400 m (7900 pies), pero hay acceso horizontal para que el equipo pueda llevarse en camión.

Aunque el mármol a través del cual se excavan los túneles se considera " roca dura ", a gran profundidad presenta mayores desafíos de ingeniería geotécnica ^[8]^[9]^{: 16–27}^[10]^{: 16–19} que las rocas ígneas aún más duras en las que se construyen otros laboratorios profundos. ^[11]^{: 13–14} La presión de agua de 10 MPa (1500 psi; 99 atm) en la roca también es inconveniente. Pero el mármol tiene la ventaja de ser un escudo contra la radiación bajo en radionucleidos , ^[12]^[13] como 40 K , ²²⁶ Ra , ²³² Th , ^[7]^{: 17} y ²³⁸ U . ^[14]^{: 16} Esto a su vez conduce a bajos niveles de radón ( ²²² Rn ) en la atmósfera. ^[15]^{: 5}

El laboratorio está en Liangshan , en el sur de Sichuan, a unos 500 km (310 mi) al suroeste de Chengdu . ^[7]^{: 3} El aeropuerto principal más cercano es el Aeropuerto Xichang Qingshan , a 120 km (75 mi) de distancia por carretera. ^[9]^{: 5}

Historia

El proyecto de energía hidroeléctrica de la presa Jinping-II implicó la excavación de una serie de túneles grandes bajo las montañas Jinping : cuatro grandes túneles de aducción de 16,7 km (10,4 mi) que llevan agua al este, ^[8]^{: 30} dos túneles de acceso vehicular de 17,5 km (10,9 mi) ^[9]^{: 1} y un túnel de drenaje de agua. Al enterarse de la excavación en agosto de 2008, ^[16]^[17] los físicos de la Universidad de Tsinghua determinaron que sería una excelente ubicación para un laboratorio subterráneo profundo, ^[18] y negociaron con la compañía hidroeléctrica para excavar espacio de laboratorio en medio de los túneles.

El 8 de mayo de 2009 se firmó un acuerdo formal, ^[16] y se inició rápidamente la excavación. ^[9]^{: 29} La primera fase del CJPL-I , que consta de una sala principal de 6,5 × 6,5 × 42 m (21 × 21 × 138 pies), ^[19]^{: 8} más 55 m (180 pies) de túnel de acceso (4000 m ³ de excavación total) ^[9]^{: 15} se excavó en mayo de 2010, ^[20]^{: 7} y la construcción se completó el 12 de junio de 2010. ^[20]^{: 7} Se celebró una inauguración formal del laboratorio el 12 de diciembre de 2010. ^[9]^{: 37}

El laboratorio está situado al sur del más meridional de los siete túneles paralelos, el túnel de tráfico A.

La ventilación del aire en CJPL-I fue inicialmente inadecuada, lo que provocó la acumulación de polvo en el equipo y gas radón en el aire hasta que se instaló ventilación adicional. ^[21]^{: 239}

Un problema más difícil es que las paredes del CJPL-I estaban revestidas con hormigón ordinario extraído del suministro del proyecto hidroeléctrico. Este hormigón tiene una radiactividad natural superior a la deseable para un laboratorio de bajo nivel de fondo. ^[21]^{: 238} La segunda fase de construcción utiliza materiales seleccionados por su baja radiactividad. ^[22]^{: 30–37}

Expansión del CJPL-II

Actualmente, el laboratorio está siendo sometido a una importante ampliación (que lo multiplicará por 50). La primera fase se llenó rápidamente y se hicieron planes para una segunda fase rápidamente, antes de que los trabajadores de excavación y el equipo se marcharan tras la finalización del proyecto hidroeléctrico en 2014. ^[23]^{: 20}

Un poco al oeste de CJPL-I, dos túneles de derivación que suman aproximadamente 1 km (3300 pies) de largo ^[23]^{: 20} son restos de la construcción de los siete túneles del proyecto hidroeléctrico. Son túneles entrecruzados en pendiente que conectan los puntos medios de los cinco túneles de agua (cuatro de aducción y uno de drenaje) con los túneles de carretera que se encuentran al lado y ligeramente por encima de ellos. Suman un total de 210 000 m ³ (7,4 × 10⁶ pies cúbicos), ^[24]^{: 4} y originalmente estaban destinados a ser bloqueados después de la construcción, ^[23]^{: 20} han sido donados al laboratorio y se utilizarán para instalaciones de apoyo. ^[25]^{: 5}^

La ampliación ha añadido 151.000 m3 ⁽ 5,3 × 10⁶ pies cúbicos), ^[26]^{: 4} de excavación adicional ^^{[ necesita actualización ]} : algunos túneles de acceso interconectados, cuatro grandes salas experimentales, cada una de 14 × 14 × 130 m (46 × 46 × 427 pies), ^[24]^{: 6}^[10]^{: 12}^[15]^{: 15}^[23]^{: 22}^[21]^{: 239–240} y dos pozos para tanques de protección debajo de los pisos de las salas. ^[27]^{: 20–21}^[23]^{: 24,27} El Experimento de Materia Oscura de China tiene un pozo cilíndrico, de 18 m (59 pies) de profundidad y 1,5 m (5,9 pies) de diámetro, ^[a] que se llenará con un tanque de nitrógeno líquido , y PandaX tiene un pozo elíptico ^[b] para un tanque de protección de agua, de 27 × 16 m (89 × 52 pies) y 14 m (46 pies) de profundidad. ^[21]^{: 239–240,245} Las salas se completaron a fines de 2015, ^[27]^{: 17} , los pozos en mayo de 2016, ^[23]^{: 24} y a partir de mayo de 2017 ^[actualizar]se están equipando con sistemas de ventilación ^[23]^{: 24–25} y otras necesidades. (Esto está un poco por detrás de las expectativas de que estarían listos para ser ocupados en enero de 2017. ^[15]^{: 20} )

Cuando esté terminado, será el laboratorio subterráneo más grande del mundo, superando al actual poseedor del récord, los Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Aunque la mayor profundidad y la roca más débil obligan a que las salas sean más estrechas que las salas principales de 20 m (66 pies) de ancho del LNGS, su longitud combinada de 520 m (1.710 pies) proporciona más espacio en el piso (7,280 contra6.000 m ² ) que las tres salas de LNGS, que suman un total de 300 metros (980 pies).

Las salas de CJPL también encierran más volumen que las de LNGS. CJPL tiene93.300 m ³^[6]^[c] en los pabellones propiamente dichos, y un espacio adicional9.300 m3 ^en los pozos de blindaje, lo que hace un total de102.600 m ³ , un poco más que el GNL95.100 m3 ^. [ ^d]

Incluyendo las áreas de servicio fuera de los salones principales, el resultado es200.000–300.000 m ³ de espacio utilizable, ^[27]^{: 18}^[23]^{: 22}^[21]^{: 239} más que el total general de LNGS de180.000 m ³ . Volumen total de CJPL361.000 m3 ^sugerirían que CJPL tiene el doble de tamaño, pero eso sería engañoso; toda la excavación de LNGS fue diseñada para ser un laboratorio y, por lo tanto, puede usarse de manera más eficiente que los túneles reutilizados de CJPL.

Gracias a la ubicación del laboratorio dentro de una importante instalación hidroeléctrica, se dispone de energía eléctrica adicional con facilidad. El CJPL-II se alimenta mediante dos líneas redundantes de 10 kV.Cables de potencia de 10 MVA^{; [24]}^{: 15}^[27]^{: 21} La potencia disponible está limitada temporalmente por los 5 transformadores reductores de 250 kVA en el laboratorio (uno por sala de experimentos y un quinto para las instalaciones). ^[24]^{: 15} Tampoco hay escasez de agua ^[24]^{: 14} para enfriar equipos de alta potencia.

Actualmente se está midiendo el flujo de muones en CJPL-II (y, por lo tanto, la profundidad equivalente en agua de CJPL-II), ^[23]^{: 25} y puede diferir ligeramente de CJPL-I, pero con seguridad seguirá siendo inferior al de SNOLAB en Canadá y, por lo tanto, también conservará el récord del laboratorio más profundo del mundo.

Experimentos

Los experimentos que se llevan a cabo actualmente en el CJPL son:

Experimento de Materia Oscura de China (CDEX), un detector de materia oscura de germanio , ^[28]
PandaX , el detector de partículas y xenón astrofísico para materia oscura (y desintegración beta doble sin neutrinos ), ^[7] y
Un prototipo de 1 tonelada del Experimento de Neutrinos Jinping de 100 toneladas planeado, ^[29]^[30]^[27]^{: 23} un experimento que aprovecha la ubicación del CJPL lejos de los reactores nucleares, y por lo tanto tiene el flujo más bajo de neutrinos de reactor de cualquier laboratorio subterráneo, ^[26]^{: 6} para hacer mediciones precisas de neutrinos solares y geoneutrinos . ^[31]^[15]^{: 29}

También funciona en el laboratorio una instalación de bajo ruido de fondo que utiliza un detector de germanio de alta pureza para medir niveles muy bajos de radiactividad. ^[1]^{: 7}^[19] No se trata de un experimento de física en sí, sino que se prueban materiales destinados a ser utilizados en los experimentos. También se prueban los materiales utilizados para construir el CJPL-II. ^[24]^{: 27–32}

Los experimentos actualmente planificados para CJPL-II son: ^[15]^{: 24–29}^[27]^{: 23}

una versión más grande, a escala de toneladas, de CDEX, ^[10]^{: 23}^[15]^{: 25}^[27]^{: 23}^[23]^{: 27}
una versión más grande, a escala de toneladas, de PandaX, ^[10]^{: 25}^[15]^{: 26}^[27]^{: 23}
Astrofísica Nuclear Subterránea de Jinping (JUNA), un experimento para medir las tasas de reacciones nucleares estelares astrofísicamente importantes , ^[32]^[15]^{: 27} y
Un posible detector de materia oscura de argón líquido. ^[15]^{: 28}^[27]^{: 23}^[23]^{: 26}

También existen propuestas para:

CUPID ( CUORE Upgrade with Particle Identification), un experimento de desintegración beta doble sin neutrinos, ^[23]^{: 26} y
un detector direccional de materia oscura de la colaboración MIMAC (MIcro-tpc MAtrix of Chambers), ^[27]^{: 23} como continuación de su detector que actualmente opera en el Laboratorio Subterráneo de Modane . ^[33]

Notas

^ Los planes anteriores eran de 16 m de ancho y profundidad, pero se amplió a 18 m.
^ No está del todo claro si el pozo es elíptico (con un área de 27×16× π /4 =339,3 m ² ) o un óvalo con forma de estadio (con un área de 11×16 + 16 ² × π /4 =377,1 m ² ). La diferencia es un volumen de4750m3 contra5279 metros ^cúbicos .
^ Los dibujos de la sección transversal de las salas del CJPL son inconsistentes. ^[19]^{: 13} Un techo abovedado de 14 m de ancho con una sagitta de 4,08 m abarca un ángulo de 121°; el ángulo más pequeño de 114° que se muestra implicaría un radio mayor y una sagitta menor de 3,8 m. Esto conduce a áreas de sección transversal de 179,434 y 180,275 m ² , respectivamente, y volúmenes de laboratorio de93.306 y93.743 m ² , respectivamente.
^ Se supone que las salas principales de LNGS tienen 20 m de ancho, con un techo hemisférico que alcanza una altura máxima de 18 m. Por lo tanto, el área de la sección transversal es 20×(8+10× π /4) = 317,08 m ² .

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Enlaces externos

Página de inicio de CJPL (Universidad de Tsinghua)
Página de inicio del experimento de neutrinos de Jinping (Universidad de Tsinghua)
Página de GitHub de CJPL
Simposio sobre futuras aplicaciones de detectores de germanio en la investigación fundamental en Beijing, con múltiples presentaciones del CJPL
Reunión municipal para el desarrollo de la segunda fase del Laboratorio Subterráneo de China Jinping (8 de septiembre de 2013) en la 13.ª Conferencia Internacional sobre Temas de Astropartículas y Física Subterránea
Presentaciones de la conferencia CJPL 2015 Archivado el 8 de diciembre de 2015 en Wayback Machine