钻探中微子

在南达科他州地下近一英里处，有一系列活动。30 名建筑工人三班倒，全天候劳动，为科学开辟地下空间。这是一项以自然界中最微小的事物之一为中心的巨大努力：中微子。


中微子是迷人的粒子。数以万亿计的它们每秒钟都从你身边经过，无影无踪。它们几乎由一切产生：地球、太阳、超新星、香蕉和人类，仅举几例。这些奇异的建筑组件可能是理解为什么宇宙中存在物质而不是反物质，或者什么都不存在的关键。

为了更好地研究这些难以捉摸的粒子，由 1,000 多名科学家组成的国际合作项目正在建设由美国能源部费米国家加速器实验室主办的深层地下中微子实验（DUNE）。研究人员将研究一束中微子离开伊利诺伊州费米实验室以及到达南达科他州桑福德地下研究设施时的情况。这些粒子将直接穿过地球 800 英里（1,300 公里），从一个实验室到另一个实验室——不需要隧道。

四架大型喷气式飞机的空间
南达科他州的 DUNE 探测器将成为有史以来最大的中微子探测器。四个探测器模块中的每一个都将容纳 17,000 吨液态氩，中微子将在其中相互作用并留下其特征痕迹。为这些大型仪器及其支持设备腾出空间是创建长基线中微子设施工作的一部分。它将需要移动大约 800,000 吨岩石，创造出足以容纳四架大型喷气式飞机机身的洞穴。

进行挖掘的公司蒂森矿业是支持挖掘阶段工作的两个主要承包商之一。

“这是我们的第一份联邦合同。我们对它很感兴趣，因为我们在坚硬的岩石中进行大型洞穴挖掘，所以我们完全有资格，”蒂森矿业公司的安德鲁哈迪说。“能够成为这个庞大团队的一员，为这个项目的成功做出贡献，我们感到非常兴奋。我们是优秀的现场团队的一员。”

在开始大型洞穴挖掘之前，需要做一些准备工作。第一步是拓宽现有的地下隧道，称为漂移，并创建一个四分之一英里长的垂直通风井。该开口将改善在 4,850 英尺高的地下 1 英里处挖掘所需的空气流动，主要施工工作将在此处进行。主要洞穴的挖掘工作将于今年秋天开始。

精准挖掘
为了制造井筒，蒂森使用了一种称为“天井钻孔”的技术。6 月，建筑工人钻了一个 1,200 英尺长的导向孔，直径约 1 英尺，从 3,650 英尺到 4,850 英尺。钻头使用称为测斜仪的传感器来检测与垂直的任何偏差，将实时数据发送到计算机，该计算机对转向机构进行修正。导孔于 6 月 30 日完成，钻头距离其位于 4,850 英尺高的洞穴中的目标仅几英寸。

导孔完成后，4,850 英尺高度的工人用大铰刀更换了钻头。这个圆形工具大约 12 英尺宽，当施工人员将它拉过天花板时会旋转，边走边咀嚼岩石。碎片坠落到 4,850 英尺的高度，在那里被铲起，运送到罗斯竖井，并在长达一英里的旅程中浮出水面。然后，传送带系统将岩石再运送四分之三英里到一个名为 Open Cut 的前露天采矿场。工作人员希望在秋季完成通风井。

负责挖掘工作的费米实验室驻地工程师詹姆斯·里卡德 (James Rickard) 说，抬高钻孔技术“可能是建造圆形竖井的最佳方法”。“而且它非常适合硬岩，”设施中的类型。
随着主要洞穴的挖掘，工作人员还将扩大一些漂移和罗斯竖井周围的区域，为运输沙丘设备创造更多空间。对于这次挖掘以及主要洞穴的最终挖掘，团队将改用“钻爆”技术，使用放置在小孔中的炸药。

地下工作并不总是那么容易，但工作人员训练有素，并使用最先进的设备工作。

“它可能很黑；它可能很脏；它会变热，”里卡德说。“但这是这些工人习惯的生活方式。我们拥有现代化的一切——我们拥有现代化的设备和良好的通风。”

以科学为动力
当空间准备好时，研究人员将开始将大规模实验所需的所有组件带到地下并组装探测器，就像瓶子里的船一样。

DUNE 将解决三大科学目标：确定宇宙中存在物质的原因；观察来自银河系超新星的中微子；并寻找意想不到的亚原子过程，例如质子衰变，这是一种以前从未观察到的现象。

费米实验室的 LBNF/DUNE-US 项目经理 Elaine McCluskey 表示，虽然挖掘过程可能需要数年时间，但牢记未来的科学目标有助于她保持兴奋。

“感觉就像我们实际上正在实现我们都想要达到的目标，即让科学家能够获取数据，”麦克拉斯基说。“中微子将帮助我们更多地了解我们的宇宙和我们自己。人们想知道我们为什么在这里，我们为什么存在。DUNE 将使我们更接近这些问题的答案。”
费米实验室得到美国能源部科学办公室的支持。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，正在努力应对我们这个时代一些最紧迫的挑战。如需更多信息，请访问 science.energy.gov。