[논문 리뷰] The Sanford Underground Research Facility

HEISE, Jaret|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 29.

Neutrino Physics Research인용 수 5

한 줄 요약

서던 다코타에 위치한 샌포드 지하연구시설(SURF)은 루크스(LUX), 메이저라나 디모스트레이터, CASPAR와 같은 주요 지하 물리 실험을 운영하며, 어두운 물질, 무이중베타붕괴, 천체물리학적 핵반응을 연구하기 위해 깊은 지하에서의 방사선 차폐를 활용한다. 주요 성과로는 저배경 분석의 성공적 구현, CASPAR 가속기의 운영, 그리고 LZ와 DUNE와 같은 차세대 실험을 위한 준비가 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 희귀 과정 물리 실험을 위한 깊은 지하 연구시설을 구축하기 위해.
• 민감한 실험을 위한 저배경 측정 및 재료 분석을 지원하기 위해.
• 인프라 확장을 통해 차세대 어두운 물질 및 중성자미세입자 실험을 가능하게 하기 위해.
• 물리학, 생물학, 지질학, 공학 등 다양한 분야의 연구 환경을 제공하기 위해.
• 미래 실험을 고려한 장기적인 운영 지속 가능성과 확장 가능성 확보하기 위해.

제안 방법

• 4850피트(4300m.w.e.)의 깊이에 위치한 이전 홈스테이크 금광을 활용하여 천체선 방사선 차폐를 실현한다.
• 실험 운영을 위해 4850L 수준에 위치한 대사 및 로스 두 개의 주요 지하 캠퍼스를 운영한다.
• 저에너지 핵천체물리학 연구를 위해 1-MV 반데그라프 가속기를 운영한다(CASPAR).
• 배경 방사선을 최소화하기 위해 라돈 감소 시스템과 클린룸을 유지한다.
• 지질 모델링과 장기적인 라돈 모니터링을 통해 배경 환경을 특성화한다.
• Shaft 보강 및 새로운 실험실 공간 구축을 포함한 인프라 개선 계획을 수립하고 실행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀 과정 실험에서 방사능 배경을 최소화하기 위한 최적의 지하 환경은 무엇인가?
• RQ2 깊은 지하 시설은 차세대 어두운 물질 및 중성자미세입자 실험을 어떻게 지원할 수 있는가?
• RQ3 주요 지하 시설에서 장기적인 라돈 농도와 배경 수준은 어떻게 되는가?
• RQ4 저배경 측정 능력을 향후 실험을 지원하기 위해 어떻게 확장할 수 있는가?
• RQ5 LZ 및 DUNE과 같은 대규모 실험을 운영하기 위한 기술적 및 물류적 요구사항은 무엇인가?

주요 결과

• 대사 캠퍼스는 기준 라돈 농도가 150 Bq/m³이며, 1936일 동안 평균적으로 300 Bq/m³로 증가한다.
• 로스 캠퍼스는 더 높은 배경 수준을 보이며, 평균 라돈 농도는 500–600 Bq/m³이다.
• CASPAR 가속기는 2017년 5월에 첫 빔을 확보했으며, 천체물리학 반응 연구를 위한 콘미션 작업을 진행 중이다.
• BHUC 로스 캠퍼스에서의 저배경 분석 결과 우라늄 및 토륨에 대해 약 ∼1 ppt의 감도를 확보했다.
• LZ 실험은 2019년 지하 설치를 예정하고 있으며, LUX 대비 감도가 약 100배 향상될 것으로 예측된다.
• DUNE/LBNF 프로젝트는 4850L에 70킬로톤의 액체 아르곤 검출기를 설치할 예정이며, 2018년 중반에 건설이 시작된다.