Các hang động ở độ sâu gần 1.500 m trong lòng ngọn núi tại bang South Dakota sẽ là nơi đặt máy dò hạt neutrino bí ẩn trong thí nghiệm DUNE của Mỹ.
Một trong những hang động đặt máy dò xa của thí nghiệm DUNE. Ảnh: Ryan Postel
Theo B1M, một loạt hang động khổng lồ đang được xây dựng tại mỏ vàng cũ bên dưới thị trấn Lead, bang South Dakota, Mỹ. Khi hoàn thành, cơ sở đồ sộ này sẽ tạo thành một nửa Thí nghiệm neutrino dưới lòng đất sâu (DUNE). Gồm hai cơ sở trải dài qua hai tiểu bang, nằm ở độ sâu hơn một kilomet dưới lòng đất, DUNE là một trong những thí nghiệm khoa học lớn nhất từng được xây dựng trong lịch sử Mỹ.
Thí nghiệm DUNE bắt đầu tại khuôn viên phòng thí nghiệm Fermilab ở ngoại ô bang ngoài Illinois, nơi đang phát triển máy gia tốc hạt neutrino mạnh nhất thế giới, PIP II. Cỗ máy sẽ tăng tốc proton gần tới tốc độ ánh sáng trước khi bắn chúng vào mục tiêu, tạo ra chùm neutrino tập trung. Một ụ cỏ lớn sẽ điều chỉnh chùm tia hướng xuống lòng đất, về phía hai bộ máy dò.
Đầu tiên là máy dò gần chỉ cách đó khoảng 600 m. Sau đó, chùm tia tiếp tục di chuyển ở gần tốc độ ánh sáng thêm 1.286 km tới mục tiêu thứ hai là máy dò xa. Trong khi máy dò xa có kích thước ấn tượng, máy dò gần nhỏ hơn nhiều, dài khoảng 12 m và cao 3 m. Chênh lệch cực lớn về kích thước này là do cách chùm hạt PIP-II truyền qua khoảng cách dài.
Tại Lead, South Dakota, máy dò xa đang được xây dựng ở độ sâu 1.475 m trong mỏ vàng cũ Homestake, tạo thành Cơ sở nghiên cứu dưới lòng đất Sanford (SURF), cung cấp không gian cho hàng loạt thí nghiệm khoa học của nhiều tổ chức. Cơ sở sẽ bao gồm 3 hang động xây dựng đặc biệt, mỗi hang đủ lớn để chứa 3 tượng Nữ thần tự do nằm ngang. Đây là những hang động lớn nhất từng được xây dựng ở độ sâu này trên Trái Đất.
Khi đội ngũ SURF bắt đầu công việc tại khu mỏ cũ, hầu hết thiết bị hiện có cần được thay thế hoặc tân trang. Hầm Ross, điểm ra vào cho mọi người đến chỗ máy dò, được gia cố bằng thép để ngăn hư hại và sụp đổ. Khi kiểm tra, tất cả số thép này đã bị ăn mòn và cần thay thế trước khi bắt đầu công việc xây dựng.
Từ năm 2012, công việc thay thế thép diễn ra tại các điểm cách nhau 5 m dọc toàn bộ hầm dài 1.500 m. Với khung đầu và hầm đã cải tạo, đội ngũ SURF chuyển sang tập trung vào vận chuyển thiết bị khai thác nặng xuống mặt đá. Hầm mỏ là một hình chữ nhật 4 x 7 m. Do vướng đường dây điện nước, diện tích còn lại để vận chuyển thiết bị thu hẹp xuống 1/5 kích thước ban đầu.
Quá trình xây hang động hoàn thành năm 2024, sau khi 800.000 tấn đá được đào từ mỏ cũ. Các hang động hiện nay được lót bằng bê tông phun và sàn bê tông đang được đổ, sẵn sàng để lắp đặt phòng thí nghiệm công nghệ cao. Hang động giữa sẽ trở thành cơ sở dịch vụ chứa một trạm biến áp và hệ thống làm mát bằng chất lỏng để loại bỏ nhiệt từ mặt đất. Trong khi đó, hang động phía bắc và phía nam sẽ dành riêng cho máy dò neutrino.
Tại DUNE, bốn module máy dò đang được lắp đặt, mỗi module có công nghệ hơi khác nhau để thu thập mọi hành vi neutrino hay còn gọi là hạt ma. Neutrino là một trong những hạt nhỏ nhất được biết đến trong vũ trụ và hầu như không tương tác với bất cứ thứ gì. Một hạt neutrino có thể bay trong 5 năm ánh sáng qua chì trước khi có 50% cơ hội dừng lại. Thứ duy nhất chúng va chạm là hạt nhân của nguyên tử. Dự kiến thí nghiệm DUNE sẽ bắt đầu vào năm 2032.