Instalación de investigación subterránea de Sanford

El Laboratorio Subterráneo de Investigación Sanford ( SURF ), también conocido como Laboratorio Sanford , es un laboratorio subterráneo ubicado en Lead, Dakota del Sur . Es el laboratorio subterráneo más profundo de Estados Unidos y 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, cuenta con 28 proyectos de investigación activos.

El Laboratorio Sanford está gestionado por la Autoridad de Ciencia y Tecnología de Dakota del Sur (SDSTA). Las operaciones de SURF son financiadas por el Departamento de Energía de los Estados Unidos a través del Laboratorio Nacional de Aceleradores 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 del Laboratorio Sanford lo hacen ideal para experimentos de física delicados que requieren protección contra la radiación cósmica de alta energía proveniente del sol. Además, las instalaciones son utilizadas por investigadores que estudian geología, biología e ingeniería. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Experimentos

En desarrollo

DUNE , LBNF/alojado por Fermilab: Los científicos del Experimento de Neutrinos Subterráneos 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) disparará un haz de neutrinos desde Fermilab en Batavia, Illinois, a través de 1300 km (800 millas) de tierra hasta detectores ubicados en las profundidades del Laboratorio Sanford en Lead, Dakota del Sur. ^{[ 3 ]} 

Activo

LUX-Zeplin : LUX-ZEPLIN (LZ) es un detector de materia oscura de última generación que reemplazó al 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 ]}

CASPAR: La colaboración del Sistema Compacto de Aceleradores para la Investigación Astrofísica (CASPAR) utiliza un acelerador de baja energía ( de 15 m de longitud ) para comprender mejor cómo se producen los elementos químicos en el Universo y a qué ritmo y cuánta energía se produce durante el proceso. La construcción del acelerador comenzó alrededor de 2015 y se logró el primer haz en 2017. ^{[ 5 ]} En la primavera de 2021, el experimento CASPAR se suspendió temporalmente debido al inicio de excavaciones en las cercanías. El acelerador se desmontó y se almacenó. El grupo de investigación planea regresar a SURF en el futuro. ^{[ 6 ]} 

Demostrador Majorana : El demostrador Majorana utiliza 40 kilogramos (88 lb) de cristales de germanio puro encerrados en módulos criostáticos de ultracongelación para responder a una de las preguntas más desafiantes e importantes de la física: ¿son los neutrinos sus propias antipartículas? Si la respuesta es afirmativa, requerirá reescribir el Modelo Estándar de Partículas e Interacciones, nuestra comprensión básica del mundo físico. ^{[ 7 ]} 

CUSSP: El Centro para la Comprensión de las Señales y la Permeabilidad del Subsuelo busca mejorar la recuperación de energía de los sitios geotérmicos mediante una mejor comprensión de cómo inducir fracturas en los yacimientos geotérmicos y dirigir el flujo de agua caliente. Los pozos perforados en el nivel 4100 monitorean la inyección y recuperación de agua utilizando tomografía de impedancia eléctrica y análisis de señales sísmicas. ^{[ 8 ]}

GEOXTM: GEOXTM aspira a crear la red subterránea de sensores de temperatura y deformación de fibra óptica más grande y profunda del mundo, así como inclinómetros, para medir el movimiento de los sistemas rocosos 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 ]}

Anterior

LUX: En mayo de 2016, el experimento LUX (Large Underground Xenon Experiment) completó su fase experimental. Aunque no detectó materia oscura, fue declarado el detector de materia oscura más sensible del mundo en ese momento. ^{[ 11 ]}

kISMET: El proyecto kISMET (Gestión de la permeabilidad (k) y la sismicidad inducida para tecnologías energéticas) perforó y extrajo testigos de cinco pozos de 50 metros de profundidad para obtener más información sobre la estructura de la roca. El experimento fue un precursor de EGS Collab. ^{[ 12 ]}

EGS Collab : El proyecto Enhanced Geothermal Systems (EGS) Collab es una colaboración entre ocho laboratorios nacionales y seis universidades que trabajan para mejorar las tecnologías geotérmicas. EGS realiza experimentos de campo para comprender y modelar mejor la fracturación de rocas y otros elementos de la energía geotérmica. ^{[ 13 ]} El experimento fue un precursor de CUSSP.

DUGL: Durante varios años, el Laboratorio Subterráneo Profundo de Gravedad utilizó 20 sismómetros estratégicamente ubicados en la superficie y en varios niveles del Laboratorio Sanford, desde el nivel 300 hasta el 485. Distribuidos en una cuadrícula, los sismómetros monitorizaban el movimiento del suelo , proporcionando a los investigadores una imagen sísmica tridimensional que se utilizó para el diseño de futuros detectores de ondas gravitacionales. DUGL, que fue desmantelado en 2017, era un proyecto relacionado con el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser ( LIGO ). ^{[ 14 ]}

Experimento de Neutrinos Solares (Experimento Davis/Experimento Homestake): Raymond Davis Jr. , pionero en la investigación de neutrinos, construyó un detector de neutrinos solares en las profundidades del Laboratorio Sanford. ^{[ 15 ]} Al descubrir solo un tercio de lo predicho, creó inadvertidamente lo que se denominó el “problema de los neutrinos solares”. Otros experimentos —el Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Canadá y el Super Kamiokande en Japón— confirmaron el trabajo de Davis, lo que le valió una cuarta parte ^{[ nota 1 ]} del Premio Nobel de Física en 2002. ^{[ 16 ]}

El programa de Educación y Divulgación es una iniciativa conjunta entre el Laboratorio Sanford y la Universidad Estatal de Black Hills (BHSU). ^{[ 17 ]} El programa proporciona recursos para educadores regionales, incluyendo 9 programas de asamblea, 13 módulos curriculares y 12 excursiones, con el fin de promover la educación STEM. ^{[ 17 ]}

El Laboratorio Sanford también organiza eventos de divulgación pública, como la serie Deep Talks Science for Everyone y el festival científico municipal Neutrino Day, que atrae a 1500 asistentes anualmente. ^{[ 18 ]} Si bien no se ofrecen visitas guiadas a las instalaciones, en 2015 el Laboratorio Sanford construyó el Centro de Visitantes Sanford Lab Homestake . Con vistas a la cresta de la mina a cielo abierto de 305 metros de profundidad, el centro de visitantes promueve la apreciación pública de la rica historia minera de Lead y la comprensión de los avances científicos que se desarrollan en el Laboratorio Sanford. ^{[ 18 ]}

Formalizado en la primavera de 2014, el Centro de Educación Científica Sanford (SSEC) es una colaboración entre el Centro de Investigación Subterránea Sanford, la Universidad Estatal de Black Hills y el Centro de Visitantes Homestake del Laboratorio Sanford. El SSEC brinda apoyo a los programas de educación y divulgación del Laboratorio Sanford, al Campus Subterráneo de la BHSU y al Centro de Visitantes Homestake del Laboratorio Sanford. ^{[ 19 ]}

SURF está ubicado en la antigua mina de oro Homestake y abarca 90 hectáreas (223 acres) en la superficie y 3100 hectáreas (7700 acres) bajo tierra. La propiedad en superficie incluye el Campus Yates y el Campus Ross, que reciben su nombre de los pozos Yates y Ross, respectivamente, los cuales dan acceso a las áreas subterráneas. La propiedad fue donada por la empresa matriz de Homestake, Barrick Gold, a la SDSTA para su uso como centro de investigación especializado en 2006. ^{[ 20 ]}  

Homestake excavó más de 600 km (370 millas) de pozos, galerías y rampas subterráneas, y el Laboratorio Sanford actualmente mantiene unos 19 km (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. Con 1490 metros (4890 pies) de profundidad, SURF es el laboratorio subterráneo más profundo de los Estados Unidos. Para los experimentos en el Nivel 4850, la sobrecarga de roca promedio es de aproximadamente 4300 metros de equivalente de agua (mwe). Esta profundidad proporciona una protección significativa contra la radiación cósmica del sol para experimentos sensibles de física de partículas. ^{[ 1 ]}   

Dos campus subterráneos principales, el Campus Davis y el Campus Ross, albergan experimentos en el Nivel 4850. ^{[ 21 ]}

Las instalaciones se ubican en la antigua mina de oro Homestake, una mina 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 . Esta operación, también conocida como el experimento Davis, permitió a Raymond Davis, Jr. medir directamente el flujo de neutrinos solares . ^{[ 15 ]} La discrepancia entre las mediciones y el flujo predicho a partir de la luminosidad del Sol llevó a Davis a desarrollar el problema de los neutrinos solares . El experimento Homestake dio a conocer la mina como un recurso valioso entre la comunidad científica.

Cuando la mina Homestake cerró en 2002, la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) ya había considerado las instalaciones como un posible emplazamiento futuro para el Laboratorio Subterráneo Profundo de Ciencia e Ingeniería (DUSEL) de los Estados Unidos. ^{[ 20 ]} En 2006, T. Denny Sanford, quien da nombre a las instalaciones, donó 70 millones de dólares, Barrick Gold Corporation donó terrenos y la legislación estatal creó la Autoridad de Ciencia y Tecnología de Dakota del Sur (SDSTA), una entidad cuasi gubernamental. Estos acontecimientos culminaron con la creación del Laboratorio Sanford en 2007.

Tras un extenso proceso de drenaje, el nivel 4850 del Laboratorio Sanford fue inaugurado por el gobernador de Dakota del Sur, Mike Rounds , y T. Denny Sanford en 2009. La inauguración subterránea tuvo lugar en un espacio ahora conocido como Governor's Corner. ^{[ 27 ]}

En diciembre de 2010, la Junta Nacional de Ciencias decidió no financiar el diseño posterior de DUSEL. Sin embargo, en 2011, el Departamento de Energía, a través del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, acordó apoyar las operaciones científicas del laboratorio. Actualmente, las operaciones del Laboratorio Sanford son financiadas por el Departamento de Energía de los Estados Unidos a través del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi .

Los dos primeros experimentos de física importantes 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 se excavó para el experimento de Ray Davis en la década de 1960. En octubre de 2013, después de una fase inicial de 80 días, se determinó que LUX era el detector de materia oscura más sensible del mundo. ^{[ 4 ]} El experimento Majorana busca un tipo raro de desintegración radiactiva llamada desintegración beta doble sin neutrinos . Si se detectara este fenómeno, podría confirmar que los neutrinos son sus propias antipartículas y proporcionar pistas sobre por qué la materia prevaleció sobre la antimateria. ^{[ 28 ]}

En 2017, la colaboración del Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos (DUNE) realizó una ceremonia de colocación de la primera piedra 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 ]}

• Observatorio de Kamioka
• Laboratorio Nacional del Gran Sasso
• Observatorio de Neutrinos de Sudbury
• Laboratorio subterráneo de Boulby
• Yemilab

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44°21′07″N 103°45′04″O / 44.352°N 103.751°O / 44.352; -103.751