Наука

Самые глубокие научные комплексы мира

admin
Всего просмотров: 627

Среднее время на прочтение: 7 минут, 41 секунда


Знакомьтесь: самые глубокие подземные исследовательские центры в области физики.

Земную поверхность непрерывно «поливает» поток из энергетических субатомных частиц. Получившийся в результате взаимодействия космических лучей в верхних слоях атмосферы, этот невидимый дождь создает шумную фоновую радиацию, затмевая новые частицы или силы, которые разыскивают ученые. Решить эту проблему можно, переместив эксперименты под самый лучший из зонтов, которыми мы располагаем: земную кору.

Хоть и сложные с точки зрения строительства и доступности, подземные помещения — идеальные пункты для наблюдения за взаимодействием частиц. Горная порода над головой защищает исследования от надоедливых частиц, предотвращает вмешательство мюонов. Последние несколько десятков лет подземные исследовательские центры размещали у себя самые масштабные и комплексные эксперименты по выявлению частиц, внося лепту в важные физические открытия.

«В начале 60-х исследователи из центров Колар-Голдфилдс (Индия) и золотого прииска в Ист-Ранд (Южная Африка) поняли, что если уйти достаточно глубоко под землю, появится возможность беспрепятственно отслеживать высокоэнергетичные частицы при столкновениях космических лучей, происходящих в атмосфере. Обе группы доложили о первых наблюдениях нейтрино в атмосфере с разной подземной глубины», — рассказывает Генри Соубел, один из американских представителей эксперимента Супер-Камиоканде в обсерватории Камиока

Даже учитывая то, что центр полностью скрыт под землей, сверхчувствительные детекторы часто требуют дополнительной защиты от случайных частиц и небольшого количества радиации, излучаемого горной породой и инструментами. Один из примеров — большой подземный ксеноновый эксперимент (Large Underground Xenon) исследовательского центра Сэнфорд (Sanford Underground Research Facility), цель которого — найти частицы темной материи, «вимпы» (WIMP), или слабовзаимодействующие массивные частицы.

«Уход под землю уничтожает большую часть радиоактивности, но не всю, так что мы пользовались 72000-галонным (272 кубометра) водным щитом, чтобы не подпускать нейтроны и гамма-лучи к установке LUX», — поясняет Гарри Нельсон, один из экспериментаторов и представитель строящейся LUX-Zeplin в лаборатории Сэнфорд.

Ученые в подземных центрах по всему миру — и их изобретательные коллеги поближе к земной поверхности — обслуживают различные детекторы с общей целью: найти ответы на вопросы о природе материи и энергии.

А теперь давайте подробнее узнаем о центрах, находящихся на глубине 1000 и более метров под землей, которые раскапывают секреты вселенной.

Обсерватория Камиока

1000 метров под землей, основана в 1983 году.

Исследовательский центр, ранее известный как «Подземная обсерватория Камиока», расположился в шахте Мозуми, префектура Гифу, Япония. Действующие или бывшие шахты идеально подходят для подземных исследовательских центров — с точки зрения затрат эффективнее использовать существующие гигантские прорехи в горной породе или земле, нежели выкапывать новые.

Изначально в обсерватории изучали стабильность спонтанного распада протонов с помощью эксперимента Камиоканде. Так как нейтрино — значительный фон для поиска распада протонов, изучение нейтрино также стало одним из главных направлений обсерватории.

Сейчас центр, известный как обсерватория Камиока, отслеживает нейтрино, поступающие от сверхновых звезд, Солнца, нашей атмосферы и ускорителей частиц. В 2015 году Такааки Кадзита удостоился Нобелевской премии по физике за открытие атмосферных нейтринных осцилляций при эксперименте Супер-Камиоканде. Премию он разделил с канадской обсерваторией нейтрино в Садбери.

Стоульская подземная лаборатория физики (SUPL)

1000 метров под землей, строится.

SUPL строится на базе действующего Стоульского золотого прииска в австралийском штате Виктория. Центр будет тесно сотрудничать с национальной лабораторией Гран Сассо в Италии, где были совершены серьзные прорывы в исследовании темной материи через возможное обнаружение вимпов. В SUPL собираются проверить, меняется ли количество темной материи в определенных галактиках в зависимости от позиции Земли.

Так как Австралия находится в Южном полушарии, и времена года там не совпадают с итальянскими, этот сезонный эксперимент над темной материей также будет проверять результаты итальянцев, чтобы лучше узнать о вимпах и темной материи. SUPL предложили два эксперимента: SABRE (Йодид натрия с активным фоновым коэффициентом задержания) и DRIFT-CYGNUS (Идентификация направленных частиц отдачи по траекториям — космология и ядерные частицы отдачи).

Подземная лаборатория в Боулби

1100 метров под землей, основана в 1998 году.

Внутри калийно-солевой шахты в Боулби, что на северно-восточном берегу Англии, расположилась лаборатория Боулби. Этот мультидисциплинарный научный центр, находящийся глубоко под землей, управляется британским Советом по научным и технологическим средствам. Глубина и инфраструктура делают центр очень удобным для традиционных низкофоновых подземных исследований: таких как поиски темной материи и эксперименты с космическими лучами. Ученые, помимо физики, заняты широким спектром других наук — например, геологией, геофизикой, изучают среду, климат, жизнь в экстремальных условиях на Земле и развитие инструментария аппаратов, предназначенных для изучения жизни вне Земли.

В Боулби сейчас находится детектор темной материи DRIFT-II, он ищет направленную темную материю. В лаборатории ранее базировались эксперименты ZEPLIN-II и III, предшествовавшие будущему LUX-ZEPLIN в лаборатории Сэнфорда. Боулби до сих пор работает с детектором LZ и измеряет ультранизкую фоновую материальную активность, что важно для всех высокочувствительных исследований темной материи и маловероятных событий.

Индийская нейтринная обсерватория

1200 метров под землей, в планах.

ИНО, совместный проект примерно 25 национальных институтов и университетов, базирующийся в Институте фундаментальных исследований Тата, будет преимущественно подземным сооружением для исследований в области физики высоких энергий без ускорителей. Исследования обсерватории будут в основном направлены на изучение атмосферных мюонных нейтрино с использованием железного калориметра мощностью в 50 килотонн для измерения определенных свойств неуловимых частиц.

Также ИНО расширят до научного объекта более широкой направленности так, что она станет местом проведения геологических, биологических и гидрологических исследований. Разрешение местного правительства на строительство подземной обсерватории в поселке Поттиперам в индийском штате Тамилнад еще не получено.

Национальная лаборатория Гран-Сассо

1400 метров под землей, основана в 1987 году.

Национальная лаборатория Гран-Сассо в Италии — крупнейшая в мире. Это лаборатория физики высоких энергий, где проводятся длительные эксперименты в области нейтрино, темной материи и астрофизики.

Особого внимания заслуживает проведенный здесь эксперимент OPERA, который в 2010 году выявил первые вероятные тау-нейтрино, образовавшиеся (через осцилляцию) из пучка мюонных нейтрино, созданного ЦЕРН. Впоследствии, в период с 2012 по 2015 год, благодаря эксперименту в Гран-Сассо было объявлено об обнаружении второй, третьей, четвертой и пятой групп тау-нейтрино, что подтвердило первоначальные результаты.

Также Национальная лаборатория Гран-Сассо сотрудничает с Национальной ускорительной лабораторией им. Энрико Ферми в проведении краткосрочной нейтринной программы. После его восстановления в ЦЕРН, эксперимент ICARUS, разработанный в Гран-Сассо, будет проведен в Fermilab вместе с двумя другими. Эти эксперименты будут нацелены на поиск предполагаемого четвертого вида нейтрино — стерильных нейтрино.

Центр подземной физики в Пюхясалми

1440 метров под землей, основан в 1997 году.

Финляндский Университет Оулу руководит Центром подземной физики, расположенным в глубочайшей шахте Европы ― шахте Пюхясалми .Так как шахту в ближайшие десять лет готовят к закрытию, здесь организовали лабораторию Callio Lab (CLab), пространство которой арендуют для научных и промышленных проектов; один из них — Центр подземной физики. На основном уровне (1420 метров под землей) расположено все оборудование, офисы и рестораны. Там же находится глубочайшая в мире сауна.

Главный эксперимент на этом объекте называется EMMA или Эксперимент с мульмюонными массивами, и проводится в лаборатории №1 на глубине 75 метров. С помощью эксперимента EMMA исследуют космические лучи и мюоны высокой энергии, проходящие через Землю, чтобы лучше изучить взаимодействие атмосферных и космических частиц. В Центре подземной физики в Пюхясалми также проводят измерения низкофоновых мюонных потоков и исследования радиоактивного углерода для жидких сцинтилляторов в лаборатории №2 на глубине 1430 метров.

Сэнфордский подземный исследовательский центр

1480 метров, основан в 2011 году.

Сэнфордская лаборатория — крупнейшая подземная физическая лаборатория в США, она находится в Южной Дакоте, в бывшем руднике Хоумстейк на Блэк-Хилс. Там проводили эксперимент Раймонда Дэвиса по наблюдению за солнечными нейтрино, в котором для их подсчета он использовал раствор на основе хлора. Эксперимент выявил лишь треть ожидаемых нейтрино, что стало известно как как проблема дефицита солнечных нейтрино. В 1998 году в обсерваториях SNO в Канаде и Камиоке в Японии обнаружили нейтринные осцилляции, доказавшие, что в пути нейтрино меняют свой тип. В 2002 году Дэвис получил Нобелевскую премию по физике.

На сегодняшний день в лаборатории проводятся эксперимент LUX (поиск темной материи), проект Majorana Demonstrator (исследование свойств нейтрино), а также геологические, технологические и биологические исследования. Сэнфордская лаборатория также станет местом проведения Deep Underground Neutrino Experiment (подземного эксперимента по изучению нейтрино), в котором будут использованы детекторы, наполненные 70 000 тоннами жидкого аргона, для исследования нейтрино, запущенных в Фермилаб с расстояния в почти 1300 км.

Подземная лаборатория Модан

Глубина: 1700 м, основана в 1982 году.

Эта многопрофильная лаборатория находится во французском городе Модан, посередине автомобильного туннеля Фрежю́с. Здесь проводятся эксперименты в области ядерной физики, физики элементарных частиц и астрочастиц, биологии, нано- и микроэлектроники, а также наук об окружающей среде.

Лаборатория находится под управлением Национального центра научных исследований Франции и Университета Гренобль-Альп. В основу фундаментальной деятельности входят проекты SuperNEMO и EDELWEISS, первый нацелен на изучение нейтринной физики, а второй — на обнаружение темной материи.

В лаборатории также проходят международные эксперименты при сотрудничестве с Объединенным институтом ядерных исследований из российского наукограда Дубна, а также с Чешским техническим университетом Праги.

Баксанская Нейтринная Обсерватория

Глубина: 1750 метров, построена в 1973 году.

Это сооружение, скрытое под кавказской горной цепью в ущелье реки Баксан, было одной из первых обсерваторий по физике элементарных частиц, начавших свою работу в тогда еще Советском Союзе. Как и в других подземных обсерваториях по физике элементарных частиц, в БНО хотели минимизировать уровень фоновой радиации. Лаборатория расположена не только под землей, но и далеко от различных АЭС — ведь это еще один источник фонового шума во время экспериментов.

В настоящее время в БНО проводятся следующие нейтринные эксперименты: Российско-американский галлиевый эксперимент (SAGE), Баксански подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ), Баксанский эксперимент безфоновых переходов (БЭБП). Также началось новое исследование по поиску предполагаемых частиц — аксионов, — потенциальных составляющих темной материи.

Объект глубинных исследований Агуа Негра (ANDES)

Глубина: 1750 метров, строится.

ANDES располагается в горах, на границе между Чили и Аргентиной, и здесь планируют изучать нейтрино и темную материю, а также тектонику платформ, биологию, ядерную астрофизику и окружающую среду. ANDES является второй разрабатываемой глубинной подземной лабораторией в Южном Полушарии (Первая — SUPL).

ANDES — международная лаборатория, но, помимо проведения экспериментов международного уровня, она станет большим нейтрино-детектором: здесь планируется обнаруживать сверхновые нейтрино и геонейтрино, дополняя таким образом результаты экспериментов лабораторий Северного полушария. Объект расположен идеально, так как он находится далеко от ядерных сооружений и в самом сердце гор, а два этих фактора благотворно влияют на снижение фонового шума.

SNOLAB

Глубина: 2070 метров, сооружено в 2009 году.

SNOLAB — самый глубокий физический объект в Северной Америке, осуществляющий свои исследования внутри функционирующей никельной шахте в штате Онтарио, Канада. Все 5000 квадратных метров пространства лаборатории представляют собой чистое помещение класса 2000 с менее чем 2000 частицами на 0,09 квадратного метра.

SNOLAB проводит чрезвычайно точные эксперименты в области исследования темной материи и нейтрино. Среди них: DEAP-3600, PICO, HALO, MiniCLEAN и SNO+. Ученые также планируют установить SuperCDMS — криогенную систему обнаружения темной материи нового поколения, после завершения ее тестирования.

В конце прошлого года Артуру Макдональду вручили Нобелевскую Премию по физике за открытие нейтриных осцилляций, сделанное в 1998 году в Нейтринной Обсерватории в Садбэри — предшественнике SNOLAB. Эту Нобелевскую Премию Макдональд делит с обсерваторией Камиока в Японии, за проведенный ее учеными эксперимент с нейтринным детектором «Super-K».

Китайская подземная лаборатория Цзинпинь (CJPL)

Глубина: 2400 метров, основана в 2010 году.

CJPL — глубочайшая в мире физическая лаборатория, сооруженная в горе Цзинпинь в провинции Сычуань на юго-востоке Китая. Местоположение объекта идеально из-за своего слабого мюонного потока космических частиц; это означает, что, в сравнении со многими другими подземными установками, здесь намного меньше шумов фоновой радиации. А ввиду того, что лаборатория построена под горой, туда имеется горизонтальный доступ (например, для транспорта), а не вертикальный (через ствол шахты).

На объекте проводятся два эксперимента, в ходе которых ученые пытаются напрямую обнаружить темную материю: Эксперимент Китая по темной материи (CDEX) и PandaX. Здесь также планируется наблюдать за нейтрино, пользуясь различными источниками, такими как, например, Солнце, Земля, атмосфера, вспышки сверхновых звезд, и, возможно, аннигиляции темной материи. В ближайшие месяцы исследования по астроядерной физике и прототип нейтринного детектора весом в 1 тонну будут переведены во вторую фазу проекта (CJPL-II).

Автор: Рашми Шивни.
Иллюстрации: Sandbox Studio, Чикаго совместно с Коринн Муча
Оригинал: Symmetry magazine.

Перевели: Александр Поздеев, Юрий Гаевский и Алина Халфина.
Редактировали: Сергей Разумов и Артём Слободчиков.