Подземная лаборатория для детектора частиц DUNE
В Южной Дакоте (США) под землей строительные бригады усердно работают, отгружая из подземных выработок около 1000 тонн породы в сутки.
Источник: lbnf-dune.fnal.gov
Их цель — строительство крупного подземного объекта, в котором будут размещены международные лаборатории по изучению нейтрино — неуловимых субатомных частиц, которые заключают в себе многие тайны Вселенной.
Через несколько лет в нейтринной лаборатории будет проводиться международный научный эксперимент по изучению свойств нейтрино — Deep Underground Neutrino Experiment (изучение осцилляций мюонного нейтрино в другие типы нейтрино). Отметим, что эксперимент организован Национальной ускорительной лабораторией Ферми Министерства энергетики США, начало работы запланировано на начало 2020-х годов. В проекте LBNF/DUNE участвуют более 1000 ученых и инженеров из более чем 30 стран.
Специализированное оборудование устанавливает 20-футовые анкеры в подземных выработках, в которых будет проходить Deep Underground Neutrino Experiment. Всего потребуется установить около 16 тысяч креплений, чтобы обеспечить наземную поддержку в гигантских семиэтажных подземных выработках.
DUNE преследует три основные научные цели:
- определить, могут ли нейтрино быть ключом к асимметрии материи и антиматерии, которая породила нашу наполненную материей Вселенную;
- отыскать нейтрино, которые указывают на рождение нейтронной звезды или черной дыры, двух самых загадочных объектов в космосе;
- определить субатомные сигналы, которые могли бы помочь ученым разработать теорию, объединяющую четыре силы природы.
Наземное здание лаборатории PIP II. Источник: cerncourier.com
Как отметил сопредставитель DUNE Серджио Бертолуччи, это уникальный эксперимент, позволяющий измерить все параметры нейтринных осцилляций в одном месте. Это позволит выполнить точные измерения упорядочения массы, нарушения симметрии вещества и антивещества и углов смешивания.
LBNF предоставляет пространство, инфраструктуру и пучок частиц для эксперимента:
- подземные выработки, в которых разместятся детекторы DUNE — ближний детектор в Фермилаб и дальний детектор в 800 милях от него в Сэнфордском подземном исследовательском центре в Южной Дакоте.
- место для криогенного оборудования для охлаждения этих инструментов;
- зал, где рождаются нейтрино;
- линия луча, по которой будут доставляться протоны, образующие нейтрино.
Система улучшения протонов II (PIP-II) в Фермилаб будет питать пучок частиц для эксперимента. В основе PIP-II лежит конструкция ускорителя частиц длиной 700 футов (около 213 метров), который разгоняет поток протонов до 84% скорости света.
Почти завершено строительство первого из двух крупных зданий для ПИП-II. В рабочем состоянии PIP-II подаст свои протоны в цепь ускорителей, чтобы создать самый интенсивный нейтринный пучок в мире.
Строительство идет полным ходом
Подготовительные работы на месте сооружения дальнего объекта LBNF в Южной Дакоте начались в 2019 году.
В 2021 году строительные бригады приступили к сооружению больших подземных выработок — «пещер» — для DUNE. В трех пещерах LBNF будут размещены модули дальнего детектора и инфраструктура, необходимая для работы детекторов. Руководители проекта ожидают, что строительство подземной лаборатории будет завершено в 2024 году.
На сегодняшний день было удалено около 274 тысяч тонн горной породы — более трети из колоссальных 800 тысяч тонн, которые необходимо извлечь с глубины 1600 метров.
Около 200 человек в Южной Дакоте непосредственно работают над LBNF на этом этапе проекта. После завершения подземное сооружение с тремя «пещерами» будет занимать площадь размером примерно с восемь футбольных полей.
Две из пещер имеют около 500 футов (152,4 метра) в длину, 65 футов (19,8 метра) в ширину и 90 футов (27,5 метра) в высоту, что аналогично высоте 7-этажного дома.
Здания, в которых разместится новый ускоритель PIP-II в Фермилаб, Источник: cerncourier.com
В этих «пещерах» разместятся модули дальнего детектора, каждый из которых будет иметь длину более 200 футов (0,61 м) и содержать 17 тысяч тонн сверхчистого аргона, охлажденного до минус 184 градусов по Цельсию.
В третьей «пещере», которая имеет длину около 625 футов (190,5 метров) и ширину 65 футов (19,8 метров), но всего 36 футов (10,9 мера) в высоту, будут содержаться криогенные вспомогательные системы, детекторная электроника и оборудование для сбора данных.
Технология строительства
Строительство подземных сооружений ведется сверху вниз с применением буровзрывного метода и технологии top down. Подрядчиком выступила немецкая компанией Thyssen Mining Inc.
Специалисты бурят горную породу, а затем загружают взрывчатку в полученные полости и подрывают ее. Далее рабочие удаляют взорванную породу и транспортируют ее в большие ковши, называемые скипами, которые поднимаются по шахте длиной в милю (1,6 км), чтобы поднять породу на поверхность. Как только горная порода поднимается на уровень дневной поверхности, ее дробят, помещают на конвейер, а затем перемещают в бывший открытый карьер, называемый открытым разрезом. Затем рабочие перемещаются в подземное пространство, чтобы выполнить мероприятия по поддержке забоя, предполагающие использование гигантских буров, которые монтируют 20-футовые болты (около 0,6 метра) в скальные породы в качестве анкеров. В общей сложности рабочие установят около 16 тысяч анкерных болтов, чтобы закрепить все стены и потолки карьера.
«Анкера защищают породу, потому что иногда в процессе взрывных работ возникают трещины в окружающей породе или уже существующие трещины», — пояснил Сид Де Врис, горный инженер из Фермилаб. «Это создает слабые зоны, поэтому анкерные болты устанавливаются вместе с проволочной сеткой, которая закрепляет скалу, чтобы можно было безопасно войти и повторить весь цикл».
После завершения устройства наземной поддержки цикл буровзрывных работ начинается заново. Часть подземных работ может выполняться параллельно, в смену задействовано примерно 30 горняков. Этап буровзрывных работ будет завершен осенью 2023 года. «Это последний раз, когда мы будем использовать взрывчатые вещества», — сказал Джош Уилхайт, инженер-механик, выросший в Южной Дакоте и начавший работать над ранними планами этого проекта.
Строительство подземных помещений завершается, полы и стены бетонируются. Ожидается, что эти работы будут продолжаться до мая 2024 года.
Нейтрино — интригующая и интересная частица. Источник: pip2.fnal.gov
Развитие на всех уровнях
Пока продолжаются земляные работы, другая группа подрядчиков готовится к строительства инфраструктуры. На этом этапе пространство LBNF будет оснащено инфраструктурой, необходимой для работы детекторов DUNE. Работы включают в себя настройку освещения, электрооборудования, вентиляции и трубопроводов, которые будут направлять аргон, подаваемый с поверхности, к детекторам глубоко под землей.
Работа над детекторами частиц DUNE также продвигается. Например, ученые в Великобритании начали массовое производство крупных компонентов детектора для первого детекторного модуля в Южной Дакоте. В европейской лаборатории CERN коллаборация DUNE собирается начать испытания компонентов детектора вертикального дрейфа, которые будут использоваться во втором модуле детектора, который будет построен в Южной Дакоте.
В Фермилабе ученые готовятся к испытаниям компонентов ближнего детектора, изготовленных в Швейцарии.
Подготовительная работа окупается
Перед началом буровзрывных работ в Южной Дакоте проектная группа завершила предварительную фазу подземных работ, во время которых была подготовлена дальняя площадка LBNF. Это включало, среди прочего, реконструкцию шахты Росса, модернизацию системы дробления породы и строительство конвейерной системы длиной 3/4 мили (1,2 км), которая перемещает породу из шахты в карьер.
В настоящий момент необходимо удалить еще около 800 тысяч тонн породы, чтобы создать семиэтажные подземные сооружения и соединительные штреки для удаленной площадки LBNF в Южной Дакоте.
На этом этапе инженеры также пробурили серию образцов керна (породы), чтобы определить ее геологические характеристики, такие как прочность, наличие трещин и присутствующие напряжения. Напряжения в породе существуют как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.
Чем больше глубина проходки, тем больше становится вес породы, создавая напряжение в вертикальной плоскости. В свою очередь горизонтальные напряжения вызваны такими вещами, как тектоническая активность Земли.
Кропотливая предварительная работа окупилась сполна. Руководители проекта считают, что в течение первого года подземного строительства могли бы возникнуть какие-либо серьезные проблемы, но до сих пор горняки успешно раскрыли вершины всех трех подземных выработок и открыли одну из них на полную ширину без каких-либо серьезных неудач.
Фермилаб является центром для более чем 1000 американских физиков. Источник: vms.fnal.gov
Все датчики, которые были установлены и отслеживают движение горных пород, демонстрируют оптимальные показатели. Отмечается, что мониторинг состояния горных пород и конструкций продолжается, а безопасность всех сотрудников остается главным приоритетом проекта.
Расширение служебной «пещеры» длиной 625 футов (190,5 метров) до ее полной длины, а затем возможность пройти можно назвать поистине героической работой.
К сведению:
Deep Underground Neutrino Experiment — это флагманский международный эксперимент, направленный на раскрытие тайны нейтрино. DUNE устанавливается на нейтринной установке с длинной базой, построенной в США. Исследования DUNE рисуют более четкую картину Вселенной и того, как она устроена.
Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми (более распространено сокращённое наименование Фермилаб) Министерства энергетики США является принимающей лабораторией для DUNE в партнерстве с финансовым агентством и более чем 1000 ученых со всего мира. Они вносят свой вклад в экспертизу и компоненты, которые приносят экономическую выгоду каждой из партнерских организаций и стран.
DUNE будет преследовать следующие научные цели: искать субатомные явления, которые могли бы помочь реализовать мечту Эйнштейна об объединении трёх фундаментальных сил природы («Теории Великого объединения»); наблюдайте за нейтрино, исходящими от взрывающихся звезд, возможно, свидетельствующими о рождении нейтронной звезды или черной дыры .
DUNE составлен из массивных нейтринных детекторов в лаборатории Фермилаб в Иллинойсе и подземного исследовательского центра Сэнфорд в Южной Дакоте. LBNF производит самый интенсивный в мире пучок нейтрино и использует инфраструктуру. Ускоритель частиц PIP-II в Фермилабе питает пучок нейтрино.
Детекторы гигантских частиц DUNE включает в себя современные детекторы частиц : один в Фермилабе и один глубоко под землей в Сэнфордской лаборатории. Дальний детектор будет самым большим из когда-либо созданных и будет регистрировать взаимодействие нейтрино с беспрецедентной точностью.
Ученый из Фермилаб за работой.Источник: fnal.gov
Строительство глубоко под землей предоставляет огромные пещеры и криогенную инфраструктуру для детектора DUNE глубоко под землей в Sanford Lab. Это включает в себя удаление 800 тысяч тонн породы.
PIP-II станет «первой передачей» ускорительного комплекса Фермилаб и будет питать самый интенсивный в мире пучок нейтрино высоких энергий для DUNE. Сердцем PIP-II является ускоритель частиц длиной 215 метров , в котором представлены основные вклады международных партнеров и новейшая сверхпроводящая радиочастотная технология, разработанная в Фермилабе.
Дополнительные статьи
Выберите интересующую статью:
Аэропорт Тюмени построит подземное бомбоубежище
26 апреля, 2024
Эффективность конкурсных управляющих ОАО «Метрострой» оценит суд
25 апреля, 2024
Полвека назад началось строительство БАМа
24 апреля, 2024
Рублево-Архангельскую линию в Москве откроют через 5 лет
23 апреля, 2024
Для ВСМ Москва – СПб выполнили более 60% изыскательских работ
22 апреля, 2024
Тоннели войдут в список топонимов
19 апреля, 2024
Расскажите о нашей статье своим друзьям,
поделившись ссылкой в социальной сети
Комментарии (0)
Настоящим подтверждаю, что я ознакомлен с политикой конфиденциальности
и согласен на обработку персональных данных. Подробнее