El Sanford Underground Research Facility (SURF) , o Sanford Lab , es un laboratorio subterráneo en Lead, Dakota del Sur . El laboratorio subterráneo más profundo de los Estados Unidos, 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 ubicados dentro de la instalación.
Sanford Lab 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 EE. UU. a través del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi y mediante una donación de 70 millones de dólares de T. Denny Sanford . El estado de Dakota del Sur también aportó casi 70 millones de dólares al proyecto.
La profundidad, la estabilidad de las rocas y la historia de Sanford Lab 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/presentado por Fermilab: Los científicos del Experimento Subterráneo de Neutrinos Profundos (DUNE) esperan revolucionar nuestra comprensión del papel que desempeñan los neutrinos en la creación del universo. La Instalación de Neutrinos de Línea de Base Larga (LBNF, por sus siglas en inglés) disparará un haz de neutrinos desde Fermilab en Batavia, Illinois, a 800 millas a través de la Tierra hasta detectores a gran profundidad en el Laboratorio Sanford en Lead, Dakota del Sur. [3]
LUX-Zeplin : LUX-ZEPLIN (LZ) es un detector de materia oscura de próxima generación que reemplazó el experimento LUX en las profundidades del laboratorio Sanford. El experimento continúa la búsqueda de WIMP (partículas masivas de interacción débil) utilizando un detector 30 veces más grande y 100 veces más sensible que LUX. [4]
EGS Collab : El proyecto de colaboración de sistemas geotérmicos mejorados (EGS) es una colaboración de ocho laboratorios nacionales y seis universidades que están trabajando para mejorar las tecnologías geotérmicas. EGS lleva a cabo experimentos de campo para comprender y modelar mejor la fractura 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 (50 pies de largo) para comprender mejor cómo se producen los elementos químicos en el Universo y a qué velocidad y cuánta energía se produce durante el proceso. La construcción del acelerador comenzó alrededor de 2015 y alcanzó el primer haz en 2017. [6] En la primavera de 2021, el experimento CASPAR quedó suspendido debido a que comenzaron las excavaciones en las cercanías. El acelerador fue desmontado y almacenado. El grupo de investigación tiene previsto volver a SURF en el futuro. [7]
Demostrador Majorana : El demostrador Majorana utiliza 40 kilogramos de cristales de germanio puro encerrados en módulos criostatos congelados para responder 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 subterráneos de tensión y temperatura de fibra óptica y medidores de inclinación 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 ejecución experimental. Aunque no detectó materia oscura, fue declarado en ese momento el detector de materia oscura más sensible del mundo. [11]
kISMET: El kISMET (permeabilidad (k) y gestión de la sismicidad inducida para tecnologías energéticas) perforó y extrajo muestras de cinco pozos de 50 metros de profundidad para aprender más sobre la estructura de la roca. 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 los niveles 300 al 485. Colocados en una cuadrícula, los sismómetros monitorearon el movimiento del suelo , brindando a los investigadores una imagen sísmica tridimensional que se utilizó para informar el diseño de futuros detectores de ondas gravitacionales. DUGL, que fue dado de baja en 2017, era un proyecto relacionado con el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro 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 a gran profundidad en el laboratorio Sanford. [14] Cuando descubrió sólo un tercio de lo que se había predicho, sin darse cuenta creó 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 Divulgación es una iniciativa de colaboración entre Sanford Lab y Black Hills State University (BHSU). [16] El programa proporciona recursos para educadores regionales, incluidos 9 programas de asamblea, 13 módulos curriculares y 12 excursiones en un esfuerzo por promover la educación STEM. [dieciséis]
Sanford Lab también organiza eventos de divulgación pública, incluida la serie Deep Talks Science for Everyone y un festival científico en toda la ciudad, Neutrino Day, que atrae a 1500 asistentes anualmente. [17] Si bien los recorridos públicos por las instalaciones no están disponibles, en 2015, Sanford Lab construyó el Centro de visitantes de Sanford Lab Homestake . Con vista a la cresta de Open Cut de 1,000 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 Sanford Lab. [17]
Formalizado en la primavera de 2014, el Centro de Educación Científica de Sanford (SSEC) es una asociación entre el Centro de Investigación Subterráneo de Sanford, la Universidad Estatal de Black Hills y el Centro de Visitantes de Sanford Lab Homestake. El SSEC está comprometido a desarrollar y facilitar experiencias de aprendizaje ricas 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 extensión de Sanford Lab, el campus subterráneo de BHSU y el centro de visitantes de Sanford Lab Homestake. [18]
SURF está ubicado en la antigua mina de oro Homestake y abarca 223 acres en la superficie y 7,700 acres bajo tierra. La propiedad de superficie incluye tanto el Campus Yates como el Campus Ross, llamados respectivamente por Yates y Ross Shafts, que brindan acceso a áreas subterráneas. La propiedad fue donada por la empresa matriz de Homestake, Barrick Gold, a SDSTA para su uso como instalación de investigación dedicada en 2006. [19]
Homestake excavó más de 370 millas de pozos, galerías y rampas subterráneas, y Sanford Lab 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 experimentos en el nivel 4850, la sobrecarga de roca promedio es de aproximadamente 4.300 metros equivalentes de agua (mwe). Esta profundidad proporciona una protección significativa contra la radiación cósmica del sol para experimentos de física de partículas sensibles. [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), funcionó 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 ocupaba durante más de un año después de su desmantelamiento.
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, sala limpia y sala de control para investigadores. Los investigadores equiparon la Caverna Davis con un sistema de purificación de xenón, servidores, componentes electrónicos y el experimento en sí. Todos ellos están nuevamente en servicio 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 las instalaciones de conteo de fondo bajo de Sanford Lab, una sala limpia de clase 1000 que contiene varios contadores de fondo bajo (LBC) ultrasensibles utilizados para analizar materiales para experimentos ultrasensibles. y un espacio de trabajo contiguo 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 detectar materiales, identificando la radiación ionizante liberada por un material a lo largo del 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 de un experimento. [21]
Un acuerdo de consorcio entre los propietarios de LBC permite que los contadores estén disponibles para otras universidades y socios, creando oportunidades para la investigación colaborativa. Si bien los mostradores están dedicados a respaldar experimentos de alta prioridad, el consorcio permite que también se utilicen para todas las colaboraciones y usuarios académicos cuando haya espacio de sobra. [22]
El Laboratorio de ensamblaje de superficies (SAL) es un laboratorio de 780 pies cuadrados con una sala limpia de clase 1000. Este laboratorio proporciona espacio para que los investigadores limpien y ensamblen partes de sus experimentos, antes de transportarlos bajo tierra. Para dar cabida a estos procesos, el SAL incluye láminas de aluminio; esclusas de aire; un polipasto; un pozo de 12 pies de profundidad para grandes proyectos de montaje; y un sistema de reducción de radón. [23]
Desde que Sanford Lab comenzó a operar en 2008, se han tratado miles de millones de galones de agua en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR). 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 a un depósito de superficie donde espera el proceso de tratamiento. El agua, bombeada desde los montículos más profundos del Sanford Lab 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 hace que sea seguro regresar a los sistemas de corrientes naturales. Una vez tratada, el agua se vierte en Gold Run Creek , que se une a Whitewood Creek a unos pocos cientos de yardas de la tubería de descarga. [24]
Sanford Lab monitorea la salud de estos arroyos, contando poblaciones de peces y macroinvertebrados y realizando pruebas de contaminantes. Por esta regulación, en 2019, la PTAR 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 al Permiso de Descarga de Aguas Superficiales del DENR. [25]
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La instalación está ubicada en la anterior mina de oro Homestake, una mina de oro subterránea profunda fundada durante la fiebre del oro de Black Hills en 1876. A finales de la década de 1960, la mina albergó el experimento Homestake . La operación, también conocida como experimento de 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 llevó al desarrollo de Davis del problema de los neutrinos solares . El experimento de 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 sitio futuro para el Laboratorio de Ingeniería y Ciencia Subterránea Profunda 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 desarrollos culminaron con la creación de Sanford Lab en 2007.
Después de un extenso proceso de deshidratación, el gobernador de Dakota del Sur, Mike Rounds , y T. Denny Sanford , dedicaron el nivel 4850 del laboratorio Sanford en 2009. La dedicación subterránea tuvo lugar en un espacio ahora designado como Rincón del Gobernador. [26]
En diciembre de 2010, la Junta Nacional de Ciencias decidió no financiar más diseños de DUSEL. Sin embargo, en 2011 el Departamento de Energía, a través del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, acordó apoyar las operaciones científicas en el laboratorio. En la actualidad, las operaciones de Sanford Lab están financiadas por el Departamento de Energía de EE. UU. a través del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi .
Los dos primeros experimentos importantes de física ubicados en el nivel 4850 fueron el experimento Large Underground Xenon (LUX) y el experimento Majorana Demonstrator. LUX se encuentra en la misma caverna que fue excavada para el experimento de Ray Davis en la década de 1960. En octubre de 2013, después de una ejecución inicial de 80 días, se determinó que LUX era el detector de materia oscura más sensible del mundo. [4] El experimento de Majorana busca un tipo raro de desintegración radiactiva llamado "desintegración doble beta sin neutrinos". Si se detectara este fenómeno, se 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 del Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE) llevó a cabo una inauguración 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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