مرفق سانفورد للأبحاث تحت الأرض

يُعدّ مختبر سانفورد للأبحاث تحت الأرض ( SURF )، أو مختبر سانفورد ، مختبرًا تحت الأرض يقع في ليد، بولاية ساوث داكوتا . وهو أعمق مختبر تحت الأرض في الولايات المتحدة، ويضمّ العديد من التجارب في مجالاتٍ مثل أبحاث المادة المظلمة وفيزياء النيوترينو ، وعلم الأحياء، والجيولوجيا، والهندسة. ويوجد حاليًا 28 مشروعًا بحثيًا نشطًا داخل المختبر.

تُدار مختبرات سانفورد من قِبل هيئة العلوم والتكنولوجيا في ولاية ساوث داكوتا. ويتم تمويل عمليات برنامج SURF من قِبل وزارة الطاقة الأمريكية عبر مختبر فيرمي الوطني للمسرعات ، بالإضافة إلى تبرع سخي بقيمة 70 مليون دولار من تي. ديني سانفورد . كما ساهمت ولاية ساوث داكوتا بمبلغ مماثل تقريبًا للمشروع.

يُعد مختبر سانفورد، بفضل عمقه واستقرار صخوره وتاريخه العريق، مكانًا مثاليًا لإجراء تجارب فيزيائية حساسة تتطلب الاحتماء من الإشعاع الكوني عالي الطاقة المنبعث من الشمس. إضافةً إلى ذلك، يُستخدم المختبر من قِبل باحثين يدرسون الجيولوجيا وعلم الأحياء والهندسة. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

التجارب

قيد التطوير

تجربة DUNE ، التي يستضيفها مختبر فيرميلاب: يأمل العلماء القائمون على تجربة النيوترينو تحت الأرض (DUNE) في إحداث ثورة في فهمنا لدور النيوترينوات في نشأة الكون. سيطلق مرفق النيوترينو ذو الخط الأساسي الطويل (LBNF) حزمة من النيوترينوات من مختبر فيرميلاب في باتافيا، إلينوي، لمسافة 1300 كيلومتر (800 ميل) عبر الأرض إلى أجهزة الكشف الموجودة في أعماق الأرض في مختبر سانفورد في ليد، داكوتا الجنوبية. ^{[ 3 ]} 

نشيط

لوكس-زيبلين : لوكس-زيبلين (LZ) هو كاشف من الجيل التالي للمادة المظلمة، وقد حلّ محل تجربة لوكس في أعماق مختبر سانفورد. وتواصل هذه التجربة البحث عن الجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف ( WIMPs ) باستخدام كاشف أكبر بثلاثين مرة وأكثر حساسية بمئة مرة من كاشف لوكس. ^{[ 4 ]}

مشروع CASPAR: يستخدم هذا المشروع التعاوني، وهو نظام مسرع الجسيمات المدمج لإجراء البحوث الفيزيائية الفلكية، مسرع جسيمات منخفض الطاقة ( طوله 15 مترًا ) لفهم كيفية إنتاج العناصر الكيميائية في الكون، ومعدل إنتاجها، وكمية الطاقة الناتجة خلال هذه العملية. بدأ بناء المسرع حوالي عام 2015، وتم إطلاق أول شعاع منه عام 2017. ^{[ 5 ]} في ربيع عام 2021، تم إيقاف تجربة CASPAR مؤقتًا بسبب بدء أعمال حفر في مكان قريب. تم تفكيك المسرع وتخزينه. يخطط فريق البحث للعودة إلى SURF في المستقبل. ^{[ 6 ]} 

جهاز ماجورانا التجريبي : يستخدم جهاز ماجورانا التجريبي 40 كيلوغرامًا (88 رطلاً) من بلورات الجرمانيوم النقية المحفوظة في وحدات تبريد فائقة التجميد للإجابة على أحد أكثر الأسئلة تحديًا وأهمية في الفيزياء: هل النيوترينوات هي جسيماتها المضادة؟ إذا كانت الإجابة بنعم، فسيتطلب ذلك إعادة كتابة النموذج القياسي للجسيمات والتفاعلات، وهو فهمنا الأساسي للعالم الفيزيائي. ^{[ 7 ]} 

يسعى مركز فهم الإشارات والنفاذية تحت السطحية (CUSSP) إلى تحسين استخلاص الطاقة من المواقع الحرارية الأرضية من خلال فهم أفضل لكيفية إحداث الشقوق في الخزانات الحرارية الأرضية وتوجيه تدفق المياه الساخنة. وتقوم آبار حفر على مستوى 4100 بمراقبة حقن المياه واستخلاصها باستخدام التصوير المقطعي للمقاومة الكهربائية وتحليل الإشارات الزلزالية. ^{[ 8 ]}

جيوكس™: تأمل شركة جيوكس™ في إنشاء أكبر وأعمق شبكة في العالم من أجهزة استشعار الإجهاد ودرجة الحرارة والميلان المصنوعة من الألياف الضوئية تحت الأرض لقياس حركة الأنظمة الصخرية في المختبر تحت الأرض. ^{[ 9 ]}

الأرض الشفافة: يعمل المشروع على تطوير مرصد زلزالي عميق لإجراء البحوث العلمية وتطوير تكنولوجيا الاستشعار والسلامة في مختبر سانفورد. ^{[ 10 ]}

سابق

تجربة لوكس: في مايو 2016، أكملت تجربة الزينون الكبيرة تحت الأرض (لوكس) دورتها التجريبية. على الرغم من أنها لم ترصد المادة المظلمة، فقد أُعلن أنها أكثر كاشفات المادة المظلمة حساسية في العالم آنذاك. ^{[ 11 ]}

مشروع kISMET: قام مشروع kISMET (إدارة النفاذية (k) والزلازل المستحثة لتقنيات الطاقة) بحفر خمسة آبار بعمق 50 مترًا وأخذ عينات لبية منها لدراسة بنية الصخور بشكل أعمق. وكانت هذه التجربة بمثابة مقدمة لمشروع EGS Collab. ^{[ 12 ]}

مشروع EGS التعاوني: مشروع الأنظمة الحرارية الأرضية المحسّنة (EGS) هو مشروع تعاوني يضم ثمانية مختبرات وطنية وست جامعات تعمل على تطوير تقنيات الطاقة الحرارية الأرضية. يُجري مشروع EGS تجارب ميدانية لفهم وتصميم نماذج أفضل لتصدع الصخور وعناصر أخرى من الطاقة الحرارية الأرضية. ^{[ 13 ]} وقد كانت هذه التجربة بمثابة مقدمة لمشروع CUSSP.

مختبر الجاذبية تحت الأرض العميق (DUGL): على مدى عدة سنوات، استخدم مختبر الجاذبية تحت الأرض العميق 20 جهاز قياس زلازل موزعة استراتيجياً على سطح الأرض وفي عدة مستويات من مختبر سانفورد، من المستوى 300 إلى المستوى 485. وقد رصدت هذه الأجهزة، الموضوعة على شكل شبكة، حركة الأرض ، مما وفر للباحثين صورة زلزالية ثلاثية الأبعاد استُخدمت في تصميم أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية المستقبلية. وكان مختبر الجاذبية تحت الأرض العميق، الذي أُغلق عام 2017، مشروعاً تابعاً لمرصد موجات الجاذبية بالتداخل الليزري ( LIGO ). ^{[ 14 ]}

تجربة النيوترينو الشمسي (تجربة ديفيس/تجربة هومستيك): قام ريموند ديفيس الابن ، رائد أبحاث النيوترينو، ببناء كاشف للنيوترينو الشمسي في أعماق الأرض في مختبر سانفورد. ^{[ 15 ]} عندما اكتشف ثلث ما كان متوقعًا فقط، تسبب دون قصد فيما أصبح يُعرف بـ"مشكلة النيوترينو الشمسي". أكدت تجارب أخرى - مرصد سادبري للنيوترينو في كندا ومرصد سوبر كاميوكاندي في اليابان - صحة عمل ديفيس، مما أكسبه ربع جائزة نوبل في الفيزياء عام 2002 ^{[ ملاحظة 1 ] . [ 16 ]}

يُعدّ برنامج التعليم والتوعية مشروعًا تعاونيًا بين مختبر سانفورد وجامعة بلاك هيلز الحكومية (BHSU). ^{[ 17 ]} يوفر البرنامج موارد للمعلمين في المنطقة، تشمل 9 برامج توعوية، و13 وحدة تعليمية، و12 رحلة ميدانية، وذلك بهدف تعزيز تعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM). ^{[ 17 ]}

يستضيف مختبر سانفورد أيضًا فعاليات توعية عامة، بما في ذلك سلسلة "حوارات عميقة: العلوم للجميع" ومهرجان "يوم النيوترينو" العلمي الذي يُقام على مستوى المدينة، والذي يجذب 1500 زائر سنويًا. ^{[ 18 ]} وبينما لا تتوفر جولات سياحية عامة في المنشأة، فقد أنشأ مختبر سانفورد في عام 2015 مركز زوار "سانفورد لاب هومستيك" . يطل المركز على قمة "أوبن كت" التي يبلغ عمقها 1000 قدم، ويهدف إلى تعزيز تقدير الجمهور لتاريخ التعدين العريق في مدينة ليد وفهم العلوم المتقدمة في مختبر سانفورد. ^{[ 18 ]}

تأسس مركز سانفورد لتعليم العلوم (SSEC) رسميًا في ربيع عام 2014، وهو شراكة بين مرفق سانفورد للأبحاث تحت الأرض، وجامعة بلاك هيلز الحكومية، ومركز زوار مختبر سانفورد هومستيك. يقدم المركز الدعم لبرامج التعليم والتوعية في مختبر سانفورد، والحرم الجامعي تحت الأرض التابع لجامعة بلاك هيلز الحكومية، ومركز زوار مختبر سانفورد هومستيك. ^{[ 19 ]}

يقع مشروع SURF في موقع منجم هومستيك للذهب سابقًا ، ويمتد على مساحة 223 فدانًا (90 هكتارًا) على السطح و 7700 فدان (3100 هكتار) تحت الأرض. تشمل المساحة السطحية كلاً من حرم ييتس وحرم روس، اللذين سُمّيا نسبةً إلى بئري ييتس وروس اللذين يوفران الوصول إلى المناطق تحت الأرض. تبرعت شركة باريك جولد، الشركة الأم لمنجم هومستيك، بهذه الأرض إلى هيئة علوم وتكنولوجيا التعدين في جنوب داكوتا (SDSTA) لاستخدامها كمرفق بحثي متخصص في عام 2006. ^{[ 20 ]}  

حفرت شركة هومستيك أكثر من 600 كيلومتر من الأنفاق والممرات والمنحدرات تحت الأرض، ويحتفظ مختبر سانفورد حاليًا بحوالي 19 كيلومترًا منها للأنشطة العلمية. المستوى الرئيسي للأبحاث العلمية هو المستوى 4850، والذي يمكن الوصول إليه عبر نفقَي ييتس وروس. يبلغ عمق مختبر SURF 1490 مترًا ، وهو أعمق مختبر تحت الأرض في الولايات المتحدة. بالنسبة للتجارب التي تُجرى على المستوى 4850، يبلغ متوسط ​​سمك الغطاء الصخري حوالي 4300 متر من المكافئ المائي . يوفر هذا العمق حماية كبيرة من الإشعاع الكوني الشمسي لإجراء تجارب فيزياء الجسيمات الحساسة. ^{[ 1 ]}   

يستضيف حرمين جامعيين رئيسيين تحت الأرض، وهما حرم ديفيس وحرم روس، تجارب في المستوى 4850. ^{[ 21 ]}

يقع هذا المرفق في موقع منجم هومستيك للذهب سابقًا، وهو منجم ذهب عميق تحت الأرض تأسس خلال حمى الذهب في بلاك هيلز عام 1876. في أواخر الستينيات، استضاف المنجم تجربة هومستيك . سمحت هذه العملية، المعروفة أيضًا باسم تجربة ديفيس، لريموند ديفيس الابن بقياس تدفق النيوترينوات الشمسية مباشرةً. ^{[ 15 ]} أدى التباين بين القياسات والتدفق المتوقع من إشعاع الشمس إلى تطوير ديفيس لمسألة النيوترينو الشمسي . ساهمت تجربة هومستيك في التعريف بالمنجم كمورد هام في الأوساط العلمية.

عندما أُغلق منجم هومستيك عام ٢٠٠٢، كانت المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF) قد نظرت بالفعل في الموقع كموقع محتمل لمختبر العلوم والهندسة تحت الأرض التابع للولايات المتحدة (DUSEL). ^{[ ٢٠ ]} في عام ٢٠٠٦، تبرع تي. ديني سانفورد، الذي سُمّي المختبر باسمه، بمبلغ ٧٠ مليون دولار، وقدمت شركة باريك جولد تبرعًا بالأرض، وشكّل تشريعٌ حكومي هيئة العلوم والتكنولوجيا في ولاية ساوث داكوتا (SDSTA)، وهي هيئة شبه حكومية. تُوِّجت هذه التطورات بإنشاء مختبر سانفورد عام ٢٠٠٧.

بعد عملية تجفيف واسعة النطاق، تم افتتاح المستوى 4850 من مختبر سانفورد من قبل حاكم ولاية ساوث داكوتا مايك راوندز وتي ديني سانفورد في عام 2009. أقيم حفل الافتتاح تحت الأرض في مكان يُعرف الآن باسم ركن الحاكم. ^{[ 27 ]}

في ديسمبر 2010، قرر المجلس الوطني للعلوم عدم تمويل المزيد من تصميم مختبر DUSEL. مع ذلك، في عام 2011، وافقت وزارة الطاقة الأمريكية، من خلال مختبر لورانس بيركلي الوطني، على دعم العمليات العلمية في المختبر. واليوم، يتم تمويل عمليات مختبر سانفورد من قبل وزارة الطاقة الأمريكية عبر مختبر فيرمي الوطني للمسرعات .

كانت أول تجربتين فيزيائيتين رئيسيتين أُجريتا في المستوى 4850 هما تجربة زينون تحت الأرض الكبيرة (LUX) وتجربة ماجورانا التجريبية. تقع تجربة LUX في نفس الكهف الذي حُفر لتجربة راي ديفيس في ستينيات القرن الماضي. في أكتوبر 2013، وبعد تشغيل أولي استمر 80 يومًا، تم تحديد LUX كأكثر كاشف للمادة المظلمة حساسية في العالم. ^{[ 4 ]} تبحث تجربة ماجورانا عن نوع نادر من الاضمحلال الإشعاعي يُسمى اضمحلال بيتا المزدوج عديم النيوترينو . إذا تم رصد هذه الظاهرة، فقد يؤكد ذلك أن النيوترينوات هي جسيمات مضادة لها، ويقدم أدلة على سبب غلبة المادة على المادة المضادة. ^{[ 28 ]}

في عام 2017، أقام فريق تجربة النيوترينو تحت الأرض (DUNE) حفل وضع حجر الأساس في المستوى 4850 من مختبر سانفورد إيذاناً ببدء أعمال الحفر لمرفق النيوترينو ذي الخط الأساسي الطويل، والذي سيستضيف تجربة DUNE الدولية. ^{[ 3 ]}

• مرصد كاميوكا
• المختبر الوطني لجران ساسو
• مرصد سودبري للنيوترينو
• مختبر بولبي تحت الأرض
• يميلاب

• الصفحة الرئيسية لمرفق سانفورد للأبحاث تحت الأرض

44°21′07″ شمالاً 103°45′04″ غرباً / 44.352° شمالاً 103.751° غرباً / 44.352; -103.751