Ξεκινά η ανασκαφή για σωματιδιακούς φυσικούς των ΗΠΑ το επόμενο γιγαντιαίο πείραμα

Σήμερα, φυσικοί και πολιτικοί συγκεντρώθηκαν σε ένα πρώην ορυχείο στη Νότια Ντακότα για να ανοίξουν το έδαφος για το επόμενο μεγάλο πείραμα της σωματιδιακής φυσικής των Ηνωμένων Πολιτειών. Γνωστό ως Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), το πείραμα θα εκτοξεύσει μια δέσμη άπιαστων σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα από το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi (Fermilab) στη Batavia του Ιλινόις, σε έναν τεράστιο ανιχνευτή σωματιδίων 1300 χιλιόμετρα μακριά σε ένα εγκαταλελειμμένο χρυσωρυχείο σε Μολύβδου, Νότια Ντακότα.

Για να κατασκευαστεί ο αρθρωτός ανιχνευτής, οι εργαζόμενοι πρέπει να χαράξουν τεράστια σπήλαια 1480 μέτρα κάτω από τη γη, να ανασύρουν πέτρες που ζυγίζει όσο μια ντουζίνα αεροσκάφος μεταφέρουν και φορτηγό σε εκατομμύρια λίτρα παγωμένου υγρού αργού. Σήμερα το απόγευμα αξιωματούχοι συγκεντρώθηκαν βαθιά κάτω από τη γη για να γυρίσουν τα πρώτα φτυάρια από πέτρα.

«Δεν θα μπορούσαμε να είμαστε πιο ενθουσιασμένοι που θα ξεκινούσαμε πραγματικά την κατασκευή», λέει ο Mike Headley, επικεφαλής της Αρχής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Νότιας Ντακότα στο Lead. «Είμαστε απολύτως ενθουσιασμένοι που [το έργο] προχωρά και για το τι πρόκειται να κάνει για τις ΗΠΑ επιστημονικά», λέει ο Headley, ο οποίος είναι επίσης διευθυντής του Sanford Underground Research Facility (SURF), του μικρού εργαστηρίου που ξεκίνησε η πολιτεία. στο Homestake το 2006 με δωρεά 70 εκατομμυρίων δολαρίων από τον φιλάνθρωπο T. Denny Sanford.

Ίσως το πιο μυστηριώδες από τα υποατομικά σωματίδια, τα νετρίνα είναι περισσότερα από κάθε άλλο είδος σωματιδίου ύλης, αλλά αλληλεπιδρούν τόσο αδύναμα που κάθε δεύτερο τρισεκατομμύρια από αυτά περνούν απαρατήρητα από τον καθένα μας. Έρχονται σε τρεις τύπους—ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ—που μπορούν να μορφοποιηθούν ή να ταλαντωθούν το ένα μέσα στο άλλο. Πυροδοτώντας νετρίνα μιονίων από επιταχυντές σωματιδίων σε μακρινούς υπόγειους ανιχνευτές, οι φυσικοί σκιαγράφησαν τα βασικά τέτοιων «ταλαντώσεων νετρίνων». Το LBNF στοχεύει να καταγράψει όλες τις λεπτομέρειες και να θέσει τη θεωρία των φυσικών για το φαινόμενο στο τεστ οξέος. Θα αναζητήσει επίσης μια ελαφρά ασυμμετρία μεταξύ των νετρίνων και των αντινετρίνων που θα μπορούσε να είναι το κλειδί για να εξηγήσει πώς το βρεφικό σύμπαν παρήγαγε πολύ περισσότερη ύλη από την αντιύλη και να αναζητήσει σημάδια ακόμη πιο περίεργης νέας φυσικής.

Οι επιστήμονες πρότειναν την κατασκευή ενός τέτοιου πειράματος ήδη από το 2001 ως μέρος ενός μεγαλύτερου εργαστηρίου πολλαπλών χρήσεων στο Homestake που θα χρηματοδοτηθεί από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF). Ωστόσο, το 2010 το Εθνικό Συμβούλιο Επιστημών, το οποίο καθορίζει την πολιτική για το NSF, απέκρουσε αυτή την ιδέα, αφήνοντας το Υπουργείο Ενέργειας (DOE) να κατασκευάσει το πείραμα με νετρίνο. Το μέγεθος και το εύρος της προσπάθειας στη συνέχεια ταλαντεύονταν πάνω-κάτω, καθώς φυσικοί και στελέχη του DOE παζαρεύονταν για το τι μπορούσε να αντέξει οικονομικά το τμήμα. Το 2014 συμφώνησαν να επαναφέρουν το πείραμα στο αρχικό του πεδίο και να το κάνουν διεθνές έργο. Η DOE αναμένει τώρα να καλύψει 1,5 δισεκατομμύρια δολάρια του συνολικού κόστους. Ο ίδιος ο ανιχνευτής —που τώρα είναι γνωστός ανεξάρτητα ως το Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)— θα περιλαμβάνει τέσσερις τεράστιες δεξαμενές υπερκαθαρού υγρού αργού.

Μεγάλη ανασκαφή

Αλλά πριν οι επιστήμονες μπορέσουν να κατασκευάσουν το πείραμα, οι μηχανικοί και οι εργαζόμενοι πρέπει να επεκτείνουν σημαντικά το SURF. Θα πρέπει να ανατινάξουν τέσσερις θαλάμους με μήκος περίπου 70 μέτρα, πλάτος 20 μέτρα και ύψος 29 μέτρα, καθώς και μια μακρύτερη, χαμηλότερη αίθουσα εξυπηρέτησης. Θα εξάγουν περίπου 790.000 μετρικούς τόνους βράχου, λέει η Tracy Lundin, πολιτικός μηχανικός στο Fermilab και υπεύθυνος έργου LBNF για συμβατικές εγκαταστάσεις. Παρτίδα προς παρτίδα, το υλικό θα ανεβαίνει στον υπάρχοντα ανελκυστήρα του ορυχείου ή θα «παρακάμψει», λέει ο Lundin, και στη συνέχεια θα μεταφερθεί από έναν μεταφορικό ιμάντα μήκους 1200 μέτρων και θα αποτεθεί στην τρύπα που έχει απομείνει από προηγούμενη επιχείρηση εξόρυξης επιφανείας . Η ανασκαφή πρέπει να διαρκέσει περίπου 3 χρόνια, λέει.

Παρά τους αριθμούς που μουδιάζουν το μυαλό, μια τέτοια ανασκαφή δεν είναι πρωτοφανής, λέει ο Lundin. «Στην επιχείρηση υπόγειων κατασκευών, είναι ένα μεσαίο έως μεσαίο και μεγάλο έργο», λέει. Οι μηχανικοί και οι εργάτες έχουν επίσης σπάσει, λέει ο Lundin, καθώς οι υπολειμματικές τάσεις στο βράχο είναι μέτριες, μειώνοντας τον κίνδυνο θραύσης ή μετατόπισής του κατά την εκσκαφή. "Αυτό το ορυχείο ήταν γνωστό ως ένας πολύ φιλικός προς το άγχος βράχος", λέει.

Μόλις οι εργάτες έχουν ανασκάψει τα σπήλαια, θα πρέπει να κατασκευάσουν τις χαλύβδινες δεξαμενές που θα συγκρατούν το υγρό αργό. Οι μηχανικοί δανείζονται μια τεχνολογία που ονομάζεται τεχνολογία κρυοστάτη μεμβράνης που χρησιμοποιείται τώρα σε δεξαμενόπλοια που μεταφέρουν υγρό φυσικό αέριο, λέει ο David Montanari, μηχανικός στο Fermilab και διευθυντής έργου LBNF για την κρυογονική υποδομή. Η εσωτερική επένδυση της δεξαμενής θα αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα κυματοειδούς χάλυβα. Θα περιβάλλεται από ένα παχύ στρώμα μόνωσης και μια εξωτερική δομή στήριξης από χάλυβα, λέει ο Montanari. «Προσπαθούμε να μην επανεφεύρουμε τον τροχό», λέει. "Προσπαθούμε να χρησιμοποιήσουμε όσο το δυνατόν περισσότερο τη συμβατική τεχνολογία."

Η θέση των δεξαμενών βαθιά κάτω από το έδαφος μπορεί να τα κάνει κάπως πιο δύσκολη στην κατασκευή τους από ένα δεξαμενόπλοιο. «Υπάρχει μέγιστο μέγεθος για ένα κομμάτι χάλυβα που μπορεί να κατέβει στον άξονα του ορυχείου», λέει ο Έρικ Τζέιμς, φυσικός στο Fermilab και τεχνικός συντονιστής του DUNE. "Έτσι πρέπει να σχεδιάσετε τα πράγματα έτσι ώστε να μπορούν να βιδωθούν κομμάτι-κομμάτι και να αντέχουν την πίεση που ασκείται από όλο το υγρό αργό."

Χιλιάδες φορτηγά αργού

Η μεταφορά του υγρού αργού στο εργαστήριο θα απαιτήσει επίσης λίγη σκέψη. «Υπάρχει μια μεγάλη διαδικασία για να καταλάβουμε πώς μεταφέρουμε τόσο πολύ υγρό αργό στη Νότια Ντακότα όταν όλοι οι προμηθευτές βρίσκονται στην Ακτή του Κόλπου και στην Ανατολική Ακτή», λέει ο Troy Lark, μηχανολόγος μηχανικός στη Fermilab και υπεύθυνος προμηθειών για την LBNF. Το αργό αποστέλλεται ως υγρό με φορτηγό, ένα από τα οποία συνήθως μεταφέρει περίπου 20 τόνους. Επομένως, η πλήρωση του ανιχνευτή θα απαιτήσει 3500 παραδόσεις.

Κατά ειρωνικό τρόπο, μόλις το υγρό φτάσει στο SURF, οι εργαζόμενοι θα το μετατρέψουν σε αέριο πριν το στείλουν υπόγεια. Η σωλήνωση του υγρού προς τα κάτω δεν είναι πρακτική λόγω της κολοσσιαίας πίεσης που θα συσσωρευόταν στο κάτω μέρος του σωλήνα μήκους 1480 μέτρων, λέει ο Lark. Έτσι, το αργό πρέπει να πέσει ως αέριο και να επανασυμπυκνωθεί - σε ψυχρό -185,8°C - μόλις φτάσει στο εργαστήριο. Η πλήρωση καθεμιάς από τις τέσσερις ενότητες θα διαρκέσει από 7 μήνες έως ένα χρόνο, εκτιμά ο Montanari.

Οι εργασίες αστικής κατασκευής και υποδομής στο Homestake είναι ακριβές. Το αίτημα προϋπολογισμού DOE για το οικονομικό έτος 2018 δεσμεύει το κόστος αυτών των δύο πραγμάτων σε συνολικά 398 εκατομμύρια δολάρια.

Οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη έγκριση από το DOE για την κατασκευή των εντέρων υψηλής τεχνολογίας του ανιχνευτή DUNE. Οι ερευνητές στο Fermilab και στο CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, εξακολουθούν να εργάζονται με πρωτότυπους ανιχνευτές και να σιδερώνουν τα σχέδιά τους, λέει ο James. Ελπίζουν να λάβουν την τελική έγκριση για να ξεκινήσουν την κατασκευή του ίδιου του υλικού ανιχνευτών το 2019, με την ελπίδα να ολοκληρωθεί η κατασκευή των ανιχνευτών το 2024, λέει. Οι Ηνωμένες Πολιτείες θα καλύψουν περίπου το 25% του κόστους του ανιχνευτή, λέει ο James.

Αλλά πρώτα, οι φυσικοί πρέπει να έχουν τα σπήλαια και τις εγκαταστάσεις στις οποίες να τοποθετούν αυτές τις συσκευές υψηλής τεχνολογίας. Σήμερα, οι μηχανικοί άρχισαν επιτέλους να τα κατασκευάζουν.

Διόρθωση, 31 Ιουλίου, 10:23 π.μ.: Η ιστορία έχει αλλάξει:Η ποσότητα του βράχου που πρόκειται να ανασκαφθεί έχει διορθωθεί.