Уйти под землю чтобы увидеть Солнце

Эти фото кажутся скринами из какой-нибудь компьютерной игры, но это реальная строительная площадка в подземелье. На глубине 1,5 км в бывшей самой глубокой золотой шахте Северной Америки Homestake расположилась научно-исследовательская астрофизическая лаборатория Sanford Underground Research Facility.

Довольно странное сочетание: подземные галереи и изучение космоса, однако уникальное расположение лаборатории позволяет проводить исследования, которые практически невозможны или сильно затруднены на поверхности.

Астрофизические исследования в шахте начались еще в 60-е годы, когда химик Рэй Дэвис начал эксперименты по поиску солнечных нейтрино. Сотни метров горной породы позволяли экранировать детекторы от потоков космических лучей, и только всепроникающие нейтрино могли туда добраться. Поиск оказался успешен, более того, позволил установить, что существующие к тому времени представления о нейтрино требуют уточнения - реально обнаруженных частиц оказалось почти в три раза меньше чем предполагали теоретические модели. Это явление стало известно в науке как проблема солнечных нейтрино. В концу ХХ века ее удалось решить, обнаружив эффект нейтринных осциляций. За свое открытие Рэй Дэвис получил в 2002 году Нобелевскую премию.

В 2001 году шахта Homestake стала нерентабельна для золотодобычи и закрылась. Через четыре года владельцы передали ее в собственность штату Южная Дакота. В 2005 году американский миллионер банкир Денни Сэнфорд выделил $70 млн на строительство лаборатории и $45 млн добавили различные научные фонды. Позже ученые США и власти Южной Дакоты выступили с предложением к государству о создании подземного исследовательского комплекса, стоимостью $1 млрд долларов. Идею чиновники не поддержали, но лаборатория стала финансироваться Министерством энергетики.

На эти средства построили полноценные научные лаборатории и даже кампус чтобы ученые и студенты могли проживать прямо под землей во время проведения экспериментов.

Сейчас на Sanford Underground Research Facility реализуются исследования по трем направлениям.

Large Underground Xenon (LUX) experiment

Поиск частиц темной материи. Темная материя определяется косвенно по массам галактик, однако напрямую неизвестно что является ее носителем. В шахте Homestake размещен бак жидкого инертного газа ксенона массой в треть тонны. Теоретически, размещенные вокруг детекторы способны определить взаимодействие гипотетических частиц темной материи ВИМПов (Weakly Interacting Massive Particle) с атомами ксенона.

Пока таких событий не зафиксировано. Сейчас эксперимент получил развитие, объединившись с британской группой Zeplin, результатом работы объединенной команды LUX-Zeplin должен стать детектор ВИМПов беспрецедентной точности.

Majorana experiment

Попытка уловить антинейтрино. Точнее этот эксперимент должен установить, что нейтрино способно быть античастицей самой себе - т.н. майорановским фермионом. Внутри блока из толстых пластин меди высокой чистоты располагаются десятки детекторов из кристаллов германия, которые теоретически способны зафиксировать событие безнейтринного двойного бета распада, который подтвердит майорановскую природу нейтрино и докажет факт наличия массы у него.

Как в случае с экспериментом LUX, пока подобных явлений не зафиксировано, хотя их пытаются поймать еще в нескольких лабораториях мира.

Compact Accelerator System for Performing Astrophysical Research (CASPAR)

Небольшой ускоритель заряженных частиц, который должен смоделировать процессы в звездах, приводящие к образованию тяжелых химических элементов. Ускоритель будет создавать направленный пучок частиц низких энергий, поэтому ему важна защищенность от естественных потоков заряженных частиц. Для чистоты исследования эксперимент и спрятался под землю от космических лучей, а для защиты от радиоактивности грунта лаборатория имеет полуметровые стены, облицованные свинцовыми листами. Эксперимент пока не запущен, но разработчики уже близки к старту программы.

В настоящее время на стадии рассмотрения и согласования находится проект Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), который должен стать развитием и продолжением поиска антинейтрино путем регистрации безнейтринного двойного бета-распада. В этот раз планируется не ловить потоки солнечного нейтрино, а регистрировать искусственно созданный поток нейтрино от подземного источника в лаборатории Ферми за 1300 км.

Масштабность проекта сравнима с Большим адронным коллайдером, в частности он включает в себя резервуар для детекторов, заполненный 50 тыс тонн жидкого аргона. Стоимость проекта оценивается в $1 млрд, и вместе с США в нем изъявила готовность участвовать Великобритания.

источник: