Loading article…
サンフォード地下研究所（SURF）、通称サンフォード研究所は、サウスダコタ州リードにある地下研究所です。米国で最も深い地下研究所であり、暗黒物質やニュートリノ物理学の研究、生物学、地質学、工学など、さまざまな分野の実験が行われています。現在、この施設では28件の研究プロジェクトが進行中です。
サンフォード研究所は、サウスダコタ州科学技術局（SDSTA）によって運営されています。SURFの運営資金は、米国エネルギー省がフェルミ国立加速器研究所を通じて提供する資金と、 T・デニー・サンフォード氏からの7,000万ドルの寄付によって賄われています。サウスダコタ州もこのプロジェクトに約7,000万ドルを拠出しました。
サンフォード研究所は、その深さ、岩盤の安定性、そして歴史から、太陽からの高エネルギー宇宙放射線から逃れる必要のある繊細な物理実験に理想的な場所となっています。さらに、この施設は地質学、生物学、工学を研究する研究者にも利用されています。[ 1 ] [ 2 ]
DUNE、LBNF/フェルミラボ主催：深層地下ニュートリノ実験（DUNE）の科学者たちは、宇宙の創造におけるニュートリノの役割についての理解を根本的に変革したいと考えている。長基線ニュートリノ施設（LBNF）は、イリノイ州バタビアのフェルミラボからニュートリノビームを地球を貫通して800マイル（1,300 km）先のサウスダコタ州リードのサンフォード研究所の地下深くにある検出器に発射する。[ 3 ]
LUX-Zeplin：LUX-ZEPLIN（LZ）は、サンフォード研究所の地下深くにあるLUX実験に代わる次世代の暗黒物質検出器です。この実験では、 LUXよりも30倍大きく、100倍感度の高い検出器を使用して、 WIMP（弱く相互作用する重粒子）の探索を続けています。[ 4 ]
CASPAR: 天体物理学研究のための小型加速器システム (CASPAR) コラボレーションは、低エネルギー加速器 (長さ 50 フィート (15 m) ) を使用して、宇宙で化学元素がどのように生成され、その生成速度と生成過程でどれだけのエネルギーが生成されるかをよりよく理解します。加速器の建設は 2015 年頃に始まり、2017 年に最初のビームが実現しました。[ 5 ] 2021 年春、近くで掘削が始まったため、CASPAR 実験は休止されました。加速器は解体され、保管されました。研究グループは将来 SURF に戻る予定です。[ 6 ]
マヨラナデモンストレーター：マヨラナデモンストレーターは、40キログラム（88ポンド）の純粋なゲルマニウム結晶を極低温冷凍庫モジュールに封入し、物理学における最も難しく重要な疑問の1つである「ニュートリノは自身の反粒子なのか？」という問いに答えることを目的としています。もし答えがイエスであれば、物理世界の基本的な理解である素粒子と相互作用の標準模型を書き直す必要が生じるでしょう。[ 7 ]
CUSSP（地下信号と浸透性を理解するセンター）は、地熱貯留層に亀裂を誘発し、加熱された水の流れを制御する方法をよりよく理解することで、地熱サイトからのエネルギー回収を改善することを目指しています。4100レベルのボーリング孔では、電気インピーダンス断層撮影と地震信号解析を使用して水の注入と回収を監視しています。[ 8 ]
GEOXTM: GEOXTMは、地下実験室で岩盤システムの動きを測定するために、世界最大かつ最深の地下光ファイバー歪み・温度センサーおよび傾斜計のネットワークを構築することを目指している。[ 9 ]
透明な地球：このプロジェクトは、サンフォード研究所で科学調査、センサー技術開発、および安全性のための深部地震観測所を開発しています。[ 10 ]
LUX: 2016年5月、大型地下キセノン実験（LUX）は実験運転を完了した。暗黒物質は検出されなかったものの、当時世界で最も感度の高い暗黒物質検出器であると宣言された。[ 11 ]
kISMET: kISMET（エネルギー技術のための浸透率（k）と誘発地震管理）は、岩盤構造についてより詳しく知るために、深さ50メートルのボーリング孔を5本掘削し、コアを採取しました。この実験はEGS Collabの前身でした。[ 12 ]
EGSコラボレーション：強化地熱システム（EGS）コラボレーションプロジェクトは、地熱技術の向上に取り組む8つの国立研究所と6つの大学のコラボレーションです。EGSは、岩石の破砕や地熱エネルギーの他の要素をよりよく理解しモデル化するために、フィールド実験を実施しています。[ 13 ] この実験はCUSSPの前身でした。
DUGL: 数年間、深層重力研究所は、サンフォード研究所の300階から485階までの複数の階と地表に戦略的に配置された20台の地震計を使用していました。グリッド状に配置された地震計は地盤の動きを監視し、研究者に3次元の地震像を提供し、将来の重力波検出器の設計に役立てられました。2017年に廃止されたDUGLは、レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）関連プロジェクトでした。[ 14 ]
太陽ニュートリノ実験（デイビス実験／ホームステーク実験）：ニュートリノ研究の先駆者であるレイモンド・デイビス・ジュニアは、サンフォード研究所の地下深くに太陽ニュートリノ検出器を建設した。[ 15 ]予測されていた量の3分の1しか検出できなかったため、彼は意図せずして「太陽ニュートリノ問題」と呼ばれるものを生み出してしまった。カナダのサドベリー・ニュートリノ観測所や日本のスーパーカミオカンデなどの他の実験によってデイビスの研究が正当化され、彼は2002年にノーベル物理学賞の4分の1を受賞した。[注1 ] [ 16 ]
教育普及プログラムは、サンフォード研究所とブラックヒルズ州立大学（BHSU）の共同事業です。[ 17 ]このプログラムは、STEM教育を促進するために、9つの集会プログラム、13のカリキュラムモジュール、12のフィールドトリップを含むリソースを地域の教育者に提供しています。[ 17 ]
サンフォード研究所は、一般向けのアウトリーチイベントも開催しており、ディープトークスサイエンスフォーエバーシリーズや、毎年1,500人が参加する市全体の科学フェスティバル、ニュートリノデーなどがある。[ 18 ]施設の一般向けツアーは提供されていないが、2015年にサンフォード研究所はサンフォード研究所ホームステークビジターセンターを建設した。深さ1,000フィートの露天掘りの尾根を見下ろすこのビジターセンターは、リードの豊かな鉱業の歴史に対する一般の認識と、サンフォード研究所で進歩している科学への理解を促進する。[ 18 ]
2014年春に正式に発足したサンフォード科学教育センター（SSEC）は、サンフォード地下研究施設、ブラックヒルズ州立大学、サンフォード研究所ホームステークビジターセンターのパートナーシップです。SSECは、サンフォード研究所の教育およびアウトリーチプログラム、BHSUの地下キャンパス、サンフォード研究所ホームステークビジターセンターを支援しています。[ 19 ]
SURFは旧ホームステーク金鉱山に位置し、地上223エーカー（90ヘクタール） 、地下7,700エーカー（3,100ヘクタール）に及ぶ。地上の敷地には、地下エリアへのアクセスを提供するイェーツ坑道とロス坑道にちなんで名付けられたイェーツキャンパスとロスキャンパスの両方が含まれる。この敷地は、ホームステークの親会社であるバリックゴールド社によって、2006年にSDSTAに専用研究施設として使用するために寄贈された。[ 20 ]
ホームステークは370マイル（600 km）を超える地下坑道、横坑、傾斜路を掘り、サンフォード研究所は現在、科学活動のために約12マイル（19 km）を維持している。科学の主要レベルは4850レベルで、イェーツ坑道とロス坑道からアクセスできる。SURFは1,490メートル（4,890フィート）で、米国で最も深い地下研究所である。4850レベルでの実験では、平均的な岩盤被覆は約4,300メートル水当量（mwe）である。この深さは、敏感な素粒子物理学実験に対して太陽からの宇宙放射線から十分な保護を提供する。[ 1 ]
デイビスキャンパスとロスキャンパスという2つの主要な地下キャンパスでは、4850レベルで実験が行われている。[ 21 ]
デイビスキャンパス内には、元々はレイモンド・デイビス・ジュニア博士の太陽ニュートリノ実験施設であったデイビス洞窟があり、暗黒物質実験のために再設計および拡張されました。[ 15 ]最初の実験である大型地下キセノン実験（LUX）は、2013年から2016年まで稼働しました。[ 11 ]デイビス洞窟は、この実験が世界で最も感度の高い暗黒物質検出器となるために必要な環境を提供し、実験が停止した後も1年以上その地位を維持しました。
この最先端の研究所には、宇宙放射線からの追加遮蔽として機能する72,000ガロン（272,549リットル）の水槽、水脱イオンシステム、研究者用のクリーンルームと制御室が備えられています。研究者たちは、デイビス洞窟にキセノン精製システム、サーバー、電子機器、そして実験装置そのものを設置しました。これらはすべて、次世代の暗黒物質実験であるLUX-ZEPLIN（LZ）のために再び稼働しています。[ 4 ]
ブラックヒルズ州立大学地下キャンパス（BHUC）の4850階には、サンフォード研究所の低バックグラウンド計数施設があります。この施設は、超高感度実験用の材料を分析するために使用される複数の超高感度低バックグラウンドカウンター（LBC）を備えたクラス1,000のクリーンルームであり、隣接する作業スペースはさまざまな分野で使用できます。この施設はブラックヒルズ州立大学によって管理されており、5台の稼働中のLBCが設置されています。[ 22 ]
これらのLBCは、鉛レンガ容器に収められたゲルマニウム検出器を使用して物質をスクリーニングし、放射性元素が崩壊するにつれて物質から放出される電離放射線を時間とともに識別します。この計数プロセスは、研究者がどのタイプの物質が実験に最適かを判断するのに役立ちます。また、研究者にデータを提供し、実験期間中に物質からどれだけの放射能が放出されると予想されるかを計算できるようにします。[ 22 ]
LBC所有者間のコンソーシアム協定により、カウンターは他の大学やパートナーにも利用可能となり、共同研究の機会が生まれます。カウンターは優先度の高い実験を支援するために専用に設計されていますが、コンソーシアムにより、空きスペースがある場合はすべての共同研究や学術ユーザーがカウンターを使用できるようになります。[ 23 ]
表面組立実験室（SAL）は、780平方フィート（72平方メートル）のクラス1000クリーンルームを備えた実験室です。この実験室は、研究者が実験の部品を洗浄および組み立ててから地下に輸送するためのスペースを提供します。これらのプロセスに対応するため、SALにはアルミニウムシート、エアロック、ホイスト、大型組立プロジェクト用の深さ12フィート（3.7メートル）のピット、およびラドン低減システムが備えられています。[ 24 ]
サンフォード研究所が2008年に操業を開始して以来、廃水処理場（WWTP）では数十億ガロンの水が処理されてきました。自然に浸透した水が地下に蓄積しないように、毎分約700ガロンの水が地下から地上の貯水池に汲み上げられ、そこで処理工程を待っています。サンフォード研究所の最も深い坑道とグリズリーガルチの鉱滓が堆積した貯水池から汲み上げられた水は、複数のシステムを通してろ過され、水から汚れ、ミネラル、毒素が除去され、自然の河川系に戻しても安全になります。処理された水はゴールドランクリークに放流され、放流管から数百ヤード以内でホワイトウッドクリークに合流します。 [ 25 ]
サンフォード研究所は、これらの河川の健康状態を監視し、魚類や大型無脊椎動物の個体数を数え、汚染物質の検査を行っています。この規制に関して、2019年に、WWTPはサウスダコタ州環境天然資源局（DENR）から、DENRの地表水排出許可賞において、「廃水システムの優れた運用と環境コンプライアンス」が認められ、11年連続で表彰されました。[ 26 ]
この施設は、1876年のブラックヒルズ・ゴールドラッシュの時期に設立された地下深くの金鉱山、旧ホームステーク金鉱山にあります。 1960年代後半、この鉱山ではホームステーク実験が行われました。デイビス実験としても知られるこの実験により、レイモンド・デイビス・ジュニアは太陽ニュートリノのフラックスを直接測定することができました。[ 15 ]測定結果と太陽の光度から予測されるフラックスとの不一致が、デイビスによる太陽ニュートリノ問題の開発につながりました。ホームステーク実験により、この鉱山は科学コミュニティの間で資源として広く知られるようになりました。
2002年にホームステーク鉱山が閉鎖されたとき、国立科学財団（NSF）はすでにこの施設を米国の深部地下科学工学研究所（DUSEL）の将来の候補地として検討していた。[ 20 ] 2006年、この施設の名前の由来となったT・デニー・サンフォードが7000万ドルを寄付し、バリック・ゴールド社が土地を寄付し、州法によって準政府機関であるサウスダコタ科学技術局（SDSTA）が設立された。これらの進展は、2007年のサンフォード研究所の設立で最高潮に達した。
大規模な排水作業の後、サンフォード研究所の4850レベルは、2009年にサウスダコタ州知事マイク・ラウンズとT・デニー・サンフォードによって献納されました。地下での献納式は、現在ガバナーズコーナーと指定されている場所で行われました。[ 27 ]
2010年12月、米国科学アカデミーはDUSELのさらなる設計への資金提供を行わないことを決定した。しかし、2011年、エネルギー省はローレンス・バークレー国立研究所を通じて、同研究所の科学研究活動を支援することに合意した。現在、サンフォード研究所の運営は、フェルミ国立加速器研究所を通じて米国エネルギー省から資金提供を受けている。
4850 レベルに設置された最初の 2 つの主要な物理実験は、大型地下キセノン (LUX) 実験とマヨラナ実証実験でした。LUX は、1960 年代にレイ・デイビスの実験のために掘削されたのと同じ洞窟に設置されています。2013 年 10 月、最初の 80 日間の運転の後、LUX は世界で最も感度の高い暗黒物質検出器であると判断されました。[ 4 ]マヨラナ実験は、ニュートリノレス二重ベータ崩壊と呼ばれる珍しいタイプの放射性崩壊を探しています。この現象が検出されれば、ニュートリノが自身の反粒子であることが確認され、物質が反物質に勝った理由の手がかりが得られる可能性があります。[ 28 ]
2017年、深部地下ニュートリノ実験（DUNE）共同研究グループは、国際的なDUNE実験が行われる長基線ニュートリノ施設の掘削開始を記念して、サンフォード研究所の4850レベルで起工式を行った。[ 3 ]
{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)北緯44度21分07秒、西経103度45分04秒/北緯44.352度、西経103.751度/北緯44.352度、西経103.751度