在南達科他州地下近一英里處，有一系列活動。30 名建筑工人三班倒，全天候勞動，為科學開辟地下空間。這是一項以自然界中最微小的事物之一為中心的巨大努力：中微子。


中微子是迷人的粒子。數以萬億計的它們每秒鐘都從你身邊經過，無影無蹤。它們幾乎由一切產生：地球、太陽、超新星、香蕉和人類，僅舉幾例。這些奇異的建筑組件可能是理解為什么宇宙中存在物質而不是反物質，或者什么都不存在的關鍵。

為了更好地研究這些難以捉摸的粒子，由 1,000 多名科學家組成的國際合作項目正在建設由美國能源部費米國家加速器實驗室主辦的深層地下中微子實驗（DUNE）。研究人員將研究一束中微子離開伊利諾伊州費米實驗室以及到達南達科他州桑福德地下研究設施時的情況。這些粒子將直接穿過地球 800 英里（1,300 公里），從一個實驗室到另一個實驗室——不需要隧道。

四架大型噴氣式飛機的空間
南達科他州的 DUNE 探測器將成為有史以來最大的中微子探測器。四個探測器模塊中的每一個都將容納 17,000 噸液態氬，中微子將在其中相互作用并留下其特征痕跡。為這些大型儀器及其支持設備騰出空間是創建長基線中微子設施工作的一部分。它將需要移動大約 800,000 噸巖石，創造出足以容納四架大型噴氣式飛機機身的洞穴。

進行挖掘的公司蒂森礦業是支持挖掘階段工作的兩個主要承包商之一。

“這是我們的第一份聯邦合同。我們對它很感興趣，因為我們在堅硬的巖石中進行大型洞穴挖掘，所以我們完全有資格，”蒂森礦業公司的安德魯哈迪說。“能夠成為這個龐大團隊的一員，為這個項目的成功做出貢獻，我們感到非常興奮。我們是優秀的現場團隊的一員。”

在開始大型洞穴挖掘之前，需要做一些準備工作。第一步是拓寬現有的地下隧道，稱為漂移，并創建一個四分之一英里長的垂直通風井。該開口將改善在 4,850 英尺高的地下 1 英里處挖掘所需的空氣流動，主要施工工作將在此處進行。主要洞穴的挖掘工作將于今年秋天開始。

精準挖掘
為了制造井筒，蒂森使用了一種稱為“天井鉆孔”的技術。6 月，建筑工人鉆了一個 1,200 英尺長的導向孔，直徑約 1 英尺，從 3,650 英尺到 4,850 英尺。鉆頭使用稱為測斜儀的傳感器來檢測與垂直的任何偏差，將實時數據發送到計算機，該計算機對轉向機構進行修正。導孔于 6 月 30 日完成，鉆頭距離其位于 4,850 英尺高的洞穴中的目標僅幾英寸。

導孔完成后，4,850 英尺高度的工人用大鉸刀更換了鉆頭。這個圓形工具大約 12 英尺寬，當施工人員將它拉過天花板時會旋轉，邊走邊咀嚼巖石。碎片墜落到 4,850 英尺的高度，在那里被鏟起，運送到羅斯豎井，并在長達一英里的旅程中浮出水面。然后，傳送帶系統將巖石再運送四分之三英里到一個名為 Open Cut 的前露天采礦場。工作人員希望在秋季完成通風井。

負責挖掘工作的費米實驗室駐地工程師詹姆斯·里卡德 (James Rickard) 說，抬高鉆孔技術“可能是建造圓形豎井的最佳方法”。“而且它非常適合硬巖，”設施中的類型。
隨著主要洞穴的挖掘，工作人員還將擴大一些漂移和羅斯豎井周圍的區域，為運輸沙丘設備創造更多空間。對于這次挖掘以及主要洞穴的最終挖掘，團隊將改用“鉆爆”技術，使用放置在小孔中的炸藥。

地下工作并不總是那么容易，但工作人員訓練有素，并使用最先進的設備工作。

“它可能很黑；它可能很臟；它會變熱，”里卡德說。“但這是這些工人習慣的生活方式。我們擁有現代化的一切——我們擁有現代化的設備和良好的通風。”

以科學為動力
當空間準備好時，研究人員將開始將大規模實驗所需的所有組件帶到地下并組裝探測器，就像瓶子里的船一樣。

DUNE 將解決三大科學目標：確定宇宙中存在物質的原因；觀察來自銀河系超新星的中微子；并尋找意想不到的亞原子過程，例如質子衰變，這是一種以前從未觀察到的現象。

費米實驗室的 LBNF/DUNE-US 項目經理 Elaine McCluskey 表示，雖然挖掘過程可能需要數年時間，但牢記未來的科學目標有助于她保持興奮。

“感覺就像我們實際上正在實現我們都想要達到的目標，即讓科學家能夠獲取數據，”麥克拉斯基說。“中微子將幫助我們更多地了解我們的宇宙和我們自己。人們想知道我們為什么在這里，我們為什么存在。DUNE 將使我們更接近這些問題的答案。”
費米實驗室得到美國能源部科學辦公室的支持。科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，正在努力應對我們這個時代一些最緊迫的挑戰。如需更多信息，請訪問 science.energy.gov。