霍姆斯特克金矿曾是北美最大、最深的金矿。
图片来源：Matthew Kapust
近日，物理学家和政客们在美国南达科他州一座曾经的矿山上聚集，为该国下一项重要的粒子物理实验奠基。这项名为长基线中微子设施（LBNF）的实验，将从位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室（Fermilab），向1300公里外的庞大粒子探测器发射被称为中微子的难以捉摸的粒子束。该探测器位于南达科他州莱德市一处废弃的金矿内。
为建造这座模块化探测器，工人们需要在1480米深的地下挖出巨大洞穴，将重量和十几艘航空母舰相当的石头运走，然后用卡车运进来几百万吨冷冻液氩。
“看到项目真正开始建设，我们非常激动。”位于莱德市的南达科他州科学技术管理局局长Mike Headley表示，“项目正在推进，并且将从科学意义上给美国带来重要影响。对此，我们兴奋不已。”Headley还是桑福德地下研究设施（SURF）的负责人。SURF是南达科他州利用慈善家丹尼•桑福德提供的7000万美元捐赠，于2006年在霍姆斯特克开建的小型实验室。
中微子或许是最神秘的亚原子粒子，数量超过任何一种物质粒子。然而，它们的相互作用是如此微弱，以至于尽管每秒有上万亿中微子穿过人体，但并未被注意到。中微子以3种类型存在：电子、μ介子和τ介子。它们能转换成，或者说振荡成另外两种中微子。通过将来自粒子加速器的μ介子中微子发射至遥远的地下探测器，物理学家已经勾勒出此类“中微子振荡”的基本框架。LBNF旨在进一步明确所有细节，并且让物理学家提出的关于该现象的理论接受严峻考验。与此同时，它将寻找中微子和反中微子之间的轻微不对称，而这对于解释婴儿期的宇宙如何产生远多于反物质的物质至关重要。LBNF还将探寻更加怪异的新物理学现象的痕迹。
早在2001年，科学家便提议建造此类实验设施，作为一个设在霍姆斯特克且由美国国家科学基金会（NSF）提供资助的更大的多用途实验室的一部分。不过，2010年，为NSF设置政策的美国国家科学委员会拒绝了这一想法，并且让能源部（DOE）着手建造中微子实验设施。此后，随着物理学家和DOE官员就该部门能负担的费用不断讨价还价，此项努力的规模和范围变来变去。2014年，他们同意将实验恢复到原有范围，并且使其成为一个国际项目。目前，DOE有望负担15亿美元的全部开支。如今被单独称为地下深处中微子实验（DUNE）的探测器本身，将包括4个巨大的超纯液氩罐。
不过，在科学家能建造实验设施前，工程师和工人必须大大扩展SURF。他们将炸出4个约70米长、20米宽和29米高的洞以及更长、更低的服务大厅。Fermilab土木工程师、LBNF常规设施项目经理Tracy Lundin介绍说，他们将挖出约790吨岩石。这些岩石将分批“搭乘”矿山现有的牵引电梯，随后被一个1200米长的传送带运送，然后被放置在一个由此前的地表采矿工作留下的洞中。挖掘工作可能持续3年左右。
Lundin表示，尽管这些数字令人头晕目眩，但此类挖掘并非史无前例。“在地下建筑领域，这是一个大中型项目。”同时，工程师和工人遇到了一个有利条件：岩石中的残余应力适中，从而减少了挖掘期间岩石断裂或移动的风险。
一旦工人挖开洞穴，他们将建造盛放液氩的钢储罐。Fermilab工程师、LBNF低温基础设施项目经理David Montanari介绍说，工程师借鉴了一种所谓的薄膜低温恒温器技术。目前，该技术被用在运送液态天然气的油轮船舶中。罐子的内衬层将包括一薄层波纹钢，并且被一层厚厚的绝缘材料和外层钢支撑材料包围。“我们试图不去白费力气做重复工作。”Montanari表示，“我们将利用尽可能多的传统技术。”
和油轮船舶相比，这些建在地下深处的钢储罐的位置或许使其在某种程度上更难建造。“能进到矿井下面的钢块有最大尺寸的限制。”Fermilab物理学家、DUNE技术协调专员Eric James介绍说，“因此，你不得不设计一些东西，以便于它们能被一片一片地拼装起来，并且仍能承受所有液氩施加的压力。”（宗华编译）
更多阅读
《科学》相关报道
