美国长基线中微子设施破土动工

霍姆塔克金矿曾是北美最大、最深的金矿。

照片来源:马修·卡普斯特

最近，物理学家和政治家聚集在南达科他州的一个前矿场，为该国下一次重要的粒子物理实验奠定基础。这项名为“长基线中微子设施”的实验将从伊利诺伊州巴达维亚的费米实验室——费米实验室国家加速器实验室——向1300公里外的一个巨大粒子探测器发射一束难以捉摸的粒子束——中微子。探测器位于南达科他州赖德的一个废弃金矿。

为了建造模块化探测器，工人们需要挖一个1480米深的巨大洞穴，运走相当于十几艘航空母舰重量的石头，然后用卡车运进数百万吨冷冻液态氩。

"看到项目真正开始了，我们非常激动。"位于赖德的南达科他州科学技术管理局局长迈克·海德利说:“这个项目正在推进，从科学的角度来说，将对美国产生重大影响。我们对此非常兴奋。”海德利也是桑德福德地下研究机构的负责人。SURF是南达科他州于2006年在Homestake开设的一个小型实验室，由慈善家丹尼·桑福德捐赠7000万美元。

中微子可能是最神秘的亚原子粒子，比任何其他物质粒子都多。然而，它们的相互作用是如此微弱，以至于尽管每秒钟有数万亿个中微子穿过人体，但它们并没有被注意到。中微子有三种类型:电子、μ子和τ介子。它们可以转化成或者振荡成另外两个中微子。通过将μ子中微子从粒子加速器发送到远处的地下探测器，物理学家们勾勒出了这种“中微子振荡”的基本框架。LBNF旨在进一步澄清所有细节，并对物理学家提出的这一现象的理论进行严格的检验。与此同时，它将寻找中微子和反中微子之间的轻微不对称，这对于解释婴儿宇宙如何比反物质产生更多的物质至关重要。LBNF也将寻找更奇怪的新物理现象的痕迹。

早在2001年，科学家们就提议建造这样的实验设施，作为一个更大的多用途实验室的一部分，该实验室设在霍姆塔克，由国家科学基金会资助。然而，在2010年，为国家科学基金会制定政策的美国国家科学委员会拒绝了这个想法，并要求能源部开始建造中微子实验设施。从那以后，随着物理学家和能源部官员继续为该部门能承担的费用讨价还价，这项工作的规模和范围已经发生了变化。2014年，他们同意将实验恢复到原来的范围，并使其成为一个国际项目。目前，能源部预计将支付15亿美元的全部费用。探测器本身，现在被称为深层地下中微子实验(沙丘)，将包括四个巨大的超纯液态氩罐。

然而，在科学家能够建造实验设施之前，工程师和工人必须大大扩展SURF。他们将炸出四个洞，长约70米，宽约20米，高约29米，还有更长更低的服务大厅。费米实验室土木工程师兼伦敦西北大学综合设施项目经理特雷西·伦丁说，他们将挖出大约790吨岩石。这些岩石将被分批“吊”到矿井现有的牵引电梯上，然后由一条1200米长的传送带运输，并被放置在先前露天采矿作业留下的一个洞里。挖掘可能会持续3年左右。

伦丁说，尽管这些数字令人眼花缭乱，但这种挖掘并非前所未有。"在地下建筑领域，这是一个大中型项目。"与此同时，工程师和工人们遇到了一个有利的条件:岩石中的残余应力适中，从而降低了开挖过程中岩石破裂或移动的风险。

一旦工人们挖掘了洞穴，他们将建造一个液态氩的钢罐。费米实验室工程师兼LBNF低温基础设施项目经理大卫·蒙塔纳里说，这位工程师利用了一种所谓的薄膜低温恒温器技术。目前，该技术用于运载液态天然气的油轮。罐子的内衬将由一层薄的波纹钢组成，并由一层厚的绝缘材料和一层外层钢支撑材料包围。"我们正努力不把精力浪费在重复性工作上。"蒙塔纳里说，“我们将尽可能多地使用传统技术。”

与油轮相比，这些建在地下深处的钢制储罐的位置可能会使它们在某种程度上更难建造。"进入矿井的钢块的最大尺寸是有限制的。"费米实验室物理学家兼沙丘技术协调员埃里克·詹姆斯(Eric James)说，“因此，你必须设计一些东西，这样它们就可以一件一件地组装起来，而且还能承受所有液态氩施加的压力。”(宗华编译)

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