Snímek z podzemí v průběhu výkopových prací pro zařízení experimentu DUNE v SURF, tedy Sanford Underground Research Facility v Jižní Dakotě. Kredit: Fermilab

Díky staré dobré písničce Blízko Little Big Hornu v podání Michala Tučného je i u nás známá 7. kavalerie armády Spojených států amerických. Vedl ji podplukovník Georg Armstrong Custer, jemuž byla hodnost generála – kterým je v písničce titulován – jen dočasně propůjčena v době občanské války severu proti jihu (1861–1865). Několik let po ní, v roce 1874, byla tato 7. kavalerie vyslána ze severní Dakoty směrem na jih prozkoumat pohoří Black Hills. Zatímco vojáci měli najít místo vhodné pro výstavbu nové vojenské pevnosti, civilní účastníci expedice pátrali po zlatě, které prý v oblasti objevili Siouxové.

První nálezy, přestože nebyly velmi slibné, vyvolaly zlatou horečku. Ta vedla k zabírání půdy novými osadníky a v důsledku toho k nepřátelství a ozbrojeným konfliktům s indiány. V roce 1876, v legendární bitvě u Little Big Hornu zahynul i sám Custer. V tom samém roce noví, vidinou zlata posedlí přistěhovalci objevili v Black Hills ložisko. Když v roce 1879 akcie skoupila velká těžební společnost Homestake Mining Company, dolování se rozběhlo ve velkém. Časem do gigantických rozměrů rozšířený důl Homestake u jihodakotského města Lead byl v provozu až do roku 2001. Celkově vyprodukoval 1 240 tun zlata a 280 tun stříbra. Pro velké náklady na odvodňování byl nevyužívaný důl v roce 2003 uzavřen. O čtyři roky později svitlo na lepší časy, když americká nadace National Science Foundation rozhodla, že v něm vznikne Hlubinná vědecko-inženýrská laboratoř DUSEL (Deep Underground Science and Engineering Laboratory). Důl byl k vědeckým účelům otevřen v roce 2009.

Než se investovaly stovky milionů dolarů do výstavby velkorysého experimentu DUNE, jeho koncepci vědci vyzkoušeli v malém – pomocí experimentu protoDUNE. Záběr je na vnitřek nádoby, která při pokusech byla naplněna kapalným argonem. Kredit: Fermilab

Z mnohých výzkumných aktivit, jež v něm za celou dobu existence dolu probíhaly, vzpomeňme známý dlouhodobý pokus označovaný jako Homestake experiment, nebo Davisův (podle vedoucího astrofyzika Raymonda Davisa, Jr.), případně Brookhavenský experiment. Jde o lov slunečních elektronových neutrin, která prolétajíc obrovskou, perchlorethylenem naplněnou nádrží o objemu 380 metrů krychlových interagovala s atomy ³⁷Cl za vzniku radioaktivního izotopu ³⁷Ar, jehož atomy bylo možné spočítat. Experiment probíhal v důlních prostorech 1 478 metrů pod povrchem. Vedl k překvapivému výsledku – detekovaných neutrin byla vzhledem k teoretickým předpokladům jen jedna třetina. Snaha o vysvětlení vedla k odhalení neutrinových oscilací (vice zde) a k Nobelově ceně za fyziku za rok 2015. Doplnění: Davis za své výsledky v oblasti slunečních neutrin, získal v roce 2002 spolu s Koshibou Nobelovu cenu. Oscilace neutrin se následně stala vysvětlením pozorovaného deficitu.

Nyní byly v dole Homestake dokončeny nové výkopové práce, jež začaly v roce 2021. Za téměř tři roky se při nich na povrch přemístilo dalších 800 000 tun horniny. V hloubce 1,6 km pod zemí tak vznikly tři prostory pro experimentální vybavení, které bude součástí Neutrinového zařízení s dlouhou základnou – Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF). Ve dvou obrovských podzemních halách rozměrů 158 (d) x 20 (š) x 28 (v) metrů budou umístěny čtyři nádrže detektorů neutrin. Každá z nich bude obsahovat 17 000 tun kapalného argonu. Třetí menší umělá kaverna dlouhá 190 m, ale „jen“ 10 metrů vysoká je určena pro inženýrské sítě zajištující provoz celého detektoru. Všechny zmíněné podzemní prostory včetně spojovacích chodeb zabírají plochu asi 400 x 180 m.

Koncepce experimentu DUNE, při němž se z urychlovače ve Fermilabu v Illinois vyšle do podzemního zařízení v Sanford Underground Research Facility v Jižní Dakotě svazek mionových neutrin, jež cestou dlouhou 1 300 km oscilují mezi stavy mionové, elektronové a tau neutrino. Spodní diagram zobrazuje pravděpodobnost, s jakou by měly být jednotlivé typy v Dakotě detekovány. Kredit: Fermilab

Jak naznačuje akronym LBNF, cílem je další neutrinový výzkum – experiment DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), jehož spuštění se předpokládá počátkem příštího desetiletí. Spojuje dvě vědecká centra. Jedno je již v provozu a nachází se ve Fermilabu nedaleko Chicaga, nejlidnatějšího města státu Illinois. Kromě velkých podzemních detektorů neutrin se zde nachází i protonový urychlovač PIP-II LBNF, který dokáže vygenerovat nejintenzivnější svazek neutrin na světě.

Neutrinové paprsky budou vysílány do 1 300 kilometrů vzdálených detektorů zmíněného vědeckého centra Sanford Underground Research Facility v dole Homestake v Jižní Dakotě. Neutrina proletí zemskou kůrou přímočaře, přičemž největší hloubka, kterou někde v půlce cesty díky zakřivení zemského povrchu dosáhnou, bude kolem 32 kilometrů.

Schéma podzemního detektoru neutrin ve Sanford Underground Research Facility v Jižní Dakotě. Jde o část zařízení experimentu DUNE. Urychlovač a další detektory jsou ve výzkumném centru Fermilab ve státě Illinois. Kredit: Fermilab

Vědci doufají, že podrobnější výzkum neutrinových oscilací v rámci experimentu DUNE by mohl pomoci řešit záhadu počáteční převahy hmoty nad antihmotou v raném vesmíru a snad i lépe chápat prapříčinu naší existence. Dalším cílem je výzkum subatomárních jevů, zejména rozpadů protonů. Mohly by přispět k naplnění Einsteinovy vize o nalezení teorie velkého sjednocení sil (více zde). Dalším vědeckým potenciálem experimentu DUNE je případný záchyt a analýza neutrin, jejichž zdrojem byl výbuch supernovy v Mléčné dráze. Zprostředkují nám další informace o vzniku nové neutronové hvězdy, případně černé díry.

Nejhlubší vědecké pracoviště světa, čínský DURF, tedy Deep Underground and Ultra-low Radiation Background Facility for Frontier Physics Experiments. Má za sebou tři roky modernizace a hloubení nových podzemních prostor. Kredit: XINHUA. Další záběry poskytuje 3. video pod článkem

I když je Sanford Underground Research Facility v Jižní Dakotě po mnoha stránkách výjimečným vědeckým centrem a jeho podzemní laboratoře jsou ty nejhlubší a největší v USA, neplatí to z celosvětového hlediska. Prvenství drží podzemní vědecká pracoviště vzdálené téměř přes půl zeměkoule. Jak asi tušíte – v Číně. Místo si lze zapamatovat velice lehce díky podobnosti jmen prezidenta Čínské lidové republiky Si Ťin-pchinga a pohoří Ťin-pching šan v provincii S’-čchuan, neboli po našem také Sečuán. Jeho nejvyšší hora, jež se také jmenuje Ťin-pching šan, se tyčí do výšky 1 630 m od svého úpatí a 4 420 metrů nad hladinou moře.

Koncem loňského roku čínská média oznámila, že po třech letech rozšiřování a modernizace tato nejhlubší podzemní laboratoř světa, ukrytá 2 400 metrů pod povrchem právě v útrobách hory Ťin-pching zahájila provoz. Její anglický akronym DURF vychází z názvu Deep Underground and Ultra-low Radiation Background Facility for Frontier Physics Experiments, tedy Hluboké podzemní zařízení s ultra nízkým radiačním pozadím pro hraniční fyzikální experimenty. Podzemní prostory o objemu asi 330 000 metrů krychlových doplňují povrchová pomocná zařízení, která zabírají zastavěnou plochu přibližně 4 000 m². Velká hloubka chrání před kosmickým zářením, které je v laboratořích DURFu stokrát slabší než v italském LNGS – Laboratori Nazionali del Gran Sasso, jejichž podzemní pracoviště jsou pod 1 400 m mocnou vrstvou skalního masívu Gran Sasso.

Podobně jako americký DUNE, i experimenty čínského DURFu cílí k lepšímu pochopení vesmíru – v tomto případě zejména k odhalení podstaty temné hmoty. Také v čínském zařízení budou vědci zkoumat neutrina přilétající z vesmíru nebo se zabývat astrofyzikálními důsledky experimentů v oblasti jaderné fyziky.

Poznámka: Odborněji o experimentu DUNE: Aldebaran, Wikipedia, Fyzikální ústav ČAV

Video: Co je experiment DUNE? Don Lincoln/ Fermilab (zájemce o fyziku a astrofyziku upozorňujeme na celý zajímavý obsah kanálu)

Video: Kratičké video Hluboko pod zemí: velké jeskyně a detektory DUNE (Fermilab)

Video: DURF - nejhlubší fyzikální laboratoř na světě (SciNews)