[論文レビュー] The Sanford Underground Research Facility

HEISE, Jaret|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2018

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

ネバダ州のサンフォード地下研究施設（SURF）は、ダークマター、ネーター 없는二重ベータ崩壊、および宇宙線核反応を研究するための主要な地下物理学実験を主催しており、深地下での自然的宇宙線遮蔽を活用している。主な成果には、低バックグラウンド分析の実施、CASPAR加速器の稼働、次世代実験（LZおよびDUNE）の準備が含まれる。

ABSTRACT

Building on rich legacies, the Sanford Underground Research Facility (SURF) has been operating for over 10 years as a facility dedicated to supporting underground research. Laboratory facilities include a Surface Campus with recently upgraded capabilities as well as two main campuses at the 4850-foot level (4300 m.w.e.) - the Davis Campus and the Ross Campus - that host a range of significant physics projects: the LUX-ZEPLIN (LZ) dark matter experiment, the MAJORANA DEMONSTRATOR neutrinoless double-beta decay experiment and the CASPAR nuclear astrophysics accelerator. Furthermore, a laboratory dedicated to critical material assays for current and future experiments is operational. Plans to accommodate the Fermilab-led international Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) at the Long Baseline Neutrino Facility (LBNF) are well advanced. SURF is a dedicated research facility with significant expansion capability, and applications from other experiments are welcome.

研究の動機と目的

• レアプロセス実験のための深地下研究施設を整備すること。
• 感受性の高い実験を支援するための低バックグラウンド計数および材料分析を支援すること。
• インfraストラクチャの拡張を通じて、次世代のダークマターおよびニュートリノ実験を可能にすること。
• 物理学、生物学、地質学、工学の分野における多分野的共同研究環境を提供すること。
• 将来的な実験に対応できる長期的な運用持続可能性とスケーラビリティを確保すること。

提案手法

• 4850フィート（4300 m.w.e.）の深度にある旧ホムステイク・ゴールド・マイニング施設を活用し、自然的な宇宙線遮蔽を実現している。
• 実験収容のための2つの主要な地下キャンパス（デイビスおよびロス）を、4850Lレベルに設置している。
• 低エネルギー核物理学研究のための1-MV バンデグラーフ加速器（CASPAR）を導入している。
• ラドン除去システムおよびクリーンルームを維持し、バックグラウンド放射線を最小限に抑える。
• 地質モデリングと長期ラドンモニタリングを用いて、バックグラウンド環境を特徴づけている。
• シャフトの補強や新規ラボスペースの整備を含むインfraストラクチャのアップグレードを計画・実施している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 稀なプロセス実験における放射能バックグラウンドを最小限に抑える最適な地下環境は何か？
• RQ2 深地下施設は、次世代のダークマターおよびニュートリノ実験をどのように支援できるか？
• RQ3 主要な地下施設における長期ラドン濃度とバックグラウンドレベルはどの程度か？
• RQ4 低バックグラウンド計数能力を、将来的な実験に対応できる規模に拡大するにはどうすればよいか？
• RQ5 LZやDUNEのような大規模実験を主催するために必要な技術的および物流的要件は何か？

主な発見

• デイビスキャンパスでは、ベースラインのラドン濃度が150 Bq/m³であり、1936日間の平均で300 Bq/m³に上昇した。
• ロスキャンパスはより高いバックグラウンドレベルを示しており、平均ラドン濃度は500〜600 Bq/m³であった。
• CASPAR加速器は2017年5月に初ビームを達成し、宇宙線核反応研究のためのコンMISSIONING段階に入っている。
• BHUCロスキャンパスでの低バックグラウンド分析により、ウランおよびトリウムの感度が約1 pptまで達成された。
• LZ実験は2019年に地下設置が予定されており、LUX比で100倍高い感度が見込まれる。
• DUNE/LBNFプロジェクトでは、4850Lに70キロトンの液体アルゴン検出器を設置する予定であり、2018年半ばに建設が開始される。