今日、物理学者と政治家が、サウスダコタ州の旧鉱山に集まり、米国の次の大規模な素粒子物理学実験の地平を築きました。ロングベースライン ニュートリノ施設 (LBNF) として知られるこの実験では、イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所 (Fermilab) からニュートリノと呼ばれるとらえどころのない粒子のビームを、1300 キロメートル離れたイリノイ州の放棄された金鉱山にある巨大な粒子検出器に発射します。リーダー、サウスダコタ
モジュール式の検出器を構築するために、作業員は地下 1480 メートルの巨大な洞窟を切り開き、航空機の運搬機 12 台分の重さの石を運び出し、数百万リットルの極寒の液体アルゴンをトラックで運ぶ必要があります。今日の午後、役人は地下深くに集まり、石の最初の数シャベルを回しました。
リードのサウスダコタ科学技術局の責任者であるマイク・ヘッドリーは、次のように述べています。 「[プロジェクト]が前進し、それが米国に科学的に何をもたらすかについて、私たちは非常に興奮しています」と、州が開始した小さな研究所であるサンフォード地下研究施設（SURF）の所長でもあるヘッドリーは言います。 2006 年に Homestake で、慈善家 T. Denny Sanford から 7,000 万ドルの寄付を受けました。
おそらく最も神秘的な亜原子粒子であるニュートリノは、他のすべてのタイプの物質粒子よりも数が多いですが、相互作用が非常に弱いため、毎秒何兆ものニュートリノが気付かれずに私たち一人一人を通過します.電子、ミューオン、タウの 3 種類があり、互いにモーフィング (振動) することができます。粒子加速器から遠く離れた地中の検出器までミューニュートリノを発射することにより、物理学者はそのような「ニュートリノ振動」の基本を描き出しました。 LBNF は、すべての詳細を突き止め、物理学者の現象理論を酸テストにかけることを目指しています。また、ニュートリノと反ニュートリノの間のわずかな非対称性を探します。これは、幼児期の宇宙が反物質よりもはるかに多くの物質をどのように生成したかを説明する鍵となる可能性があり、さらに奇妙な新しい物理学の兆候を探します.
科学者たちは、国立科学財団 (NSF) によって資金提供されるホームステークのより大きな多目的ラボの一部として、2001 年にそのような実験を構築することを提案しました。しかし、2010 年に、NSF の方針を設定する全米科学委員会はその考えに難色を示し、ニュートリノ実験の構築はエネルギー省 (DOE) に任せました。その後、物理学者と DOE の担当者が部門が負担できる金額をめぐって争う中、取り組みの規模と範囲は上下に揺れ動きました。 2014年、彼らは実験を元の範囲に戻し、国際的なプロジェクトにすることに同意しました. DOE は現在、総費用の 15 億ドルをカバーすると予想しています。現在、深部地下ニュートリノ実験 (DUNE) として独立して知られている検出器自体は、超高純度液体アルゴンの 4 つの巨大なタンクで構成されます。
大掘り
しかし、科学者が実験を行う前に、エンジニアと作業者は SURF を大幅に拡張する必要があります。長さ約 70 メートル、幅 20 メートル、高さ 29 メートルの 4 つの部屋と、より長くて低いサービス ホールを爆破する必要があります。フェルミ研究所の土木技術者であり、従来型施設の LBNF プロジェクト マネージャーであるトレーシー ランディンは、約 790,000 トンの岩石を抽出できると述べています。バッチごとに、材料は鉱山の既存の岩石運搬エレベーターまたは「スキップ」を上っていき、1200メートルの長さのコンベヤーベルトによって運ばれ、以前の露天採掘作業から残された穴に堆積されます. .発掘には約 3 年かかると彼は言います。
気が遠くなるような数にもかかわらず、そのような発掘は前例のないことではないと、Lundin は言います。 「地下建設事業では、中規模から中規模のプロジェクトです」と彼は言います。エンジニアと労働者はまた、岩の残留応力が適度であり、掘削中に割れたり移動したりするリスクを軽減するという点で、休憩をとっているとランディンは言います. 「この鉱山は、非常にストレスに強い岩塊として知られています」と彼は言います。
労働者が洞窟を掘削したら、液体アルゴンを保持する鋼製タンクを構築する必要があります。 Fermilab のエンジニアで極低温インフラストラクチャの LBNF プロジェクト マネージャーである David Montanari 氏は、技術者は現在、液体天然ガスを運ぶタンカー船で使用されている膜クライオスタット技術と呼ばれる技術を取り入れていると述べています。タンクの内側のライナーは、波形鋼の薄い層で構成されます。それは断熱材の厚い層と外側の鉄骨支持構造に囲まれるだろう、とMontanariは言う。 「私たちは車輪の再発明をしないようにしています」と彼は言います。 「可能な限り従来の技術を使用しようとしています。」
タンクは地下深くにあるため、タンカー船よりも建造がやや難しいかもしれません。フェルミ研究所の物理学者で DUNE 技術コーディネーターのエリック ジェームスは、「坑道を通過できる鋼片には最大サイズがあります。 「そのため、部品をボルトで固定し、すべての液体アルゴンによる圧力に耐えられるように設計する必要があります。」
数千台のアルゴントラック
液体アルゴンを実験室に持ち込むことにも、ある程度の考慮が必要です。 Fermilab の機械エンジニアで LBNF の調達マネージャーである Troy Lark は、次のように述べています。アルゴンはトラックで液体として輸送され、そのうちの 1 台は通常約 20 トンを運搬します。したがって、検出器を満たすには 3500 回の配達が必要です。
皮肉なことに、液体が SURF に到達すると、労働者はそれをガスに変換してから地下に送ります。ラーク氏によると、1480 メートルのパイプの底に巨大な圧力が蓄積するため、液体を下に配管することは現実的ではありません。そのため、アルゴンはガスとして下降し、実験室に到達したら、-185.8°C の低温で再凝縮する必要があります。 Montanari の見積もりでは、4 つのモジュールのそれぞれを満たすには 7 か月から 1 年かかります。
Homestake の土木工事とインフラ工事は高額です。 2018 会計年度の DOE 予算要求では、これら 2 つの費用を合計 3 億 9,800 万ドルと見積もっています。
物理学者は、DUNE 検出器のハイテク内部構造を構築するための DOE からの承認をまだ得ていません。フェルミラボと、スイスのジュネーブ近郊にあるヨーロッパの素粒子物理学研究所である CERN の研究者は、まだプロトタイプの検出器を使用して設計を進めていると James は言います。彼らは、2024年に検出器の建設を完了することを期待して、2019年に検出器ハードウェア自体の構築を開始する最終承認を得ることを望んでいる.米国は検出器の費用の約 25% を負担すると James は言います。
しかしその前に、物理学者はこれらのハイテク機器を配置するための洞窟と施設を用意しなければなりません。今日、エンジニアはついにそれらを構築し始めました。
訂正、7 月 31 日午前 10 時 23 分: ストーリーが変更されました:掘削する岩の量が修正されました。
