[论文解读] The Sanford Underground Research Facility

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

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

位于南达科他州的桑福德地下研究设施（SURF）主办了多项深地物理实验，包括LUX、Majorana演示器和CASPAR，利用深层地下屏蔽研究暗物质、无中微子双贝塔衰变以及天体核反应。关键成果包括成功部署低本底检测，CASPAR加速器的运行，以及为下一代实验（如LZ和DUNE）所做的准备。

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.

研究动机与目标

• 建立一个用于稀有过程物理实验的深地研究设施。
• 为敏感实验提供低本底计数和材料检测支持。
• 通过基础设施扩展，支持下一代暗物质和中微子实验。
• 为物理学、生物学、地质学和工程学等多学科研究提供综合研究环境。
• 确保长期运行可持续性和未来实验的可扩展性。

提出的方法

• 利用位于4850英尺深度（4300米水当量）的前霍姆斯特基金矿实现天然宇宙射线屏蔽。
• 在4850L水平设立两个主要地下校区——戴维斯校区和罗斯校区，用于实验部署。
• 部署一台1-MV范德格拉夫加速器（CASPAR），用于低能核天体物理研究。
• 维持氡气减少系统和洁净室，以最小化本底辐射。
• 通过地质建模和长期氡气监测，表征本底环境。
• 规划并执行基础设施升级，包括竖井加固和新建实验空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在稀有过程实验中，何种地下环境最有利于最小化放射性本底？
• RQ2 深地设施如何支持下一代暗物质和中微子实验？
• RQ3 关键地下站点的长期氡气浓度和本底水平是多少？
• RQ4 如何将低本底计数能力扩展以支持未来实验？
• RQ5 举办大型实验（如LZ和DUNE）的技术和后勤需求是什么？

主要发现

• 戴维斯校区的本底氡浓度为150 Bq/m³，1936天内的平均值上升至300 Bq/m³。
• 罗斯校区背景水平较高，平均氡浓度为500–600 Bq/m³。
• CASPAR加速器于2017年5月首次获得束流，目前正在为天体核反应研究进行调试。
• 在BHUC罗斯校区进行的低本底检测对铀和钍的灵敏度达到约1 ppt。
• LZ实验计划于2019年完成地下安装，预计灵敏度较LUX提升100倍。
• DUNE/LBNF项目将在4850L水平部署一个70千吨液氩探测器，建设工作预计于2018年年中启动。