看科学家们如何在大流行期间在地下深处展开跨境暗物质实验

在寻找暗物质粒子的过程中，在加拿大矿区中心的一个桌面实验可能会起到一定的作用。SENSEI合作项目使用的是滑雪者电荷耦合器件(CCD)，这是同类产品中最敏感的传感器，几十年前就有梦想，只不过到最近才实现。

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该合作项目最近证明了该实验有一个敏感的暗物质探测器，并且它可以在能源部费米实验室的一个地下实验区降低背景率。现在，该合作项目正在加拿大的SNOLAB地下一英里多的地方运行一个更大、更安静、更敏感的实验版本。

随着新冠大流行和美国-加拿大边境的关闭，该实验很容易在2020年落后于计划。相反，它正处于调试阶段--在外层屏蔽到位后，用实验将使用的约20%的目标材料进行测试。边界两边的物理学家之间非凡的团队合作确保了它按计划向前推进。

在推进科学发展的同时保持安全

随着新冠大流行进入第三或第四个月，费米实验室的副科学家和SENSEI的合作者Javier Tiffenberg突然意识到，费米实验室团队计划于2020年开始的实验安装需要重新考虑。

在没有办法到达现场的情况下，SENSEI团队联系了SNOLAB，看看工作人员是否愿意在费米实验室的远程指导下自己安装这个超敏感的实验。SNOLAB的工作人员已经熟悉在位于工作矿井中的清洁实验室中安装实验的独特挑战。这一次，他们将为一个他们原本不打算参与的实验进行为期数周的安装。

SNOLAB曾是一个游戏。

SNOLAB的研究科学家Silvia Scorza在谈到该项目采用的观点时说道：“既然它们不能在这里，我们将成为它们的手。”据悉，Scorza是SNOLAB的员工之一，SNOLAB在大流行病期间承担了远程帮助安装项目的任务。

“当SNOLAB的人说他们有兴趣对此作出贡献，然后从我们这边的工程师和技术人员说，‘是的，我们可以做到这一点，’我感到超级兴奋，因为我真的认为这是在一起的，”Tiffenberg说道。

费米实验室粒子物理部的工程师Greg Derylo设计了SENSEI的布局、跟绘图小组合作绘制了所有机械部件的图纸并从场内和场外的机械商店采购了部件。由于新冠大流行封锁对进入费米实验室校园的影响，他还完成了该实验的大部分物理组装。

Derylo表示，在费米实验室拆卸并在SNOLAB重新组装一直是计划的一部分，但远程安装却提出了一个新问题。

他说道：“真正的诀窍在于谁在地下进行组装。主要的问题是处理脆弱的（和昂贵的）船长CCD，它们“非常容易受到静电的损害”。比一个人在地毯上摩擦脚和触摸门把手后在手上能感觉到的还要小，就会破坏传感器。为此，SNOLAB的物理学家和技术人员专门上了一堂电子产品处理课。

测试、测试以及一个非常大流行病式的聚会

在实验能够投入到SNOLAB手中之前，必须对其进行测试和记录。

“我们在费米实验室测试了一切。我们以他们在那里做的同样方式组装一切，”Derylo说道。

第一个测试是机械测试--把实验的外壳组装起来以确认它能保持真空--和热性能测试。SENSEI依靠低温技术来进行“冷运行”。为了做到这一点，费米实验室团队安装了额外的仪器来监测温度和运行诊断程序。两者的表现都符合预期。

在2020年初秋，费米实验室团队在实验中安装了一套测试模块，并将其打开、冷却、冷运行及操作模块。读取结果顺利完成。团队通过Zoom用香槟酒庆祝。

文档和手工模拟

通常情况下，文件更多的是一系列提醒，而不是详细的说明，团队成员可以凭直觉判断过程或主要依靠记忆。

为一个不熟悉实验的团队创建说明需要更高级别的沟通。这主要意味着要创建更多细节的文档。

因为团队知道安装将是远程的，他们在测试期间利用了自己的装配。

“我们给所有的东西都拍了照片，”Tiffenberg说道，“拥有这些文件是至关重要的。”

但提出这些文件并不是没有挑战。由于大流行病，多人在不同时间进行记录，小组内的沟通也变得比平时更重要。不同的技术人员有不同的观点--从字面上讲。

Derylo说道：“事实证明，我们实际上对什么是前面的设置有相反的定义。”那可以通过什么措施来补救？ SENSEI的最新和最重要的组件之一：粘贴式标签。

该团队还在文件中建立了停止点。一旦SNOLAB对达到这些点之一，他们就可以确定他们是否有时间继续进行下一步的转变或他们是否需要费米实验室团队的澄清。

第一份文件约在2021年初准备就绪。Derylo表示，该文件被分成不同的部分，最后约有70页。该文件类似于一个纲要，大量使用了照片。另外还提供了真空系统、冷却器系统和电气布线的示意图，但不是小册子的一部分。

Tiffenberg说道：“随后我们把它拆开，但要尽量保持尽可能多的部件在一起，然后我们在1月份把它运到SNOLAB。”

一个工作中的矿井中的超净洁净室

撇开大流行问题不谈，在SNOLAB的地下设施安装实验的过程总是很复杂。毕竟，这是一个位于地下一英里多的洁净实验室--位于一个工作的矿井内。

Scorza说道：“仔细的计划和准备工作从地面开始。”

在那里，在一天开始的时候，物理学家、工程师和技术人员穿着像矿工一样的衣服等待“笼子”，一个采矿电梯将他们带到地下深处。

下去的过程不到五分钟。但接下来还有一段路程，要穿过一条矿井隧道，沿途有一条铁轨，差不多有一英里。

“所以，要注意你的脚步，”Scorza说道。

在这个跋涉的终点，是一个干净的实验室。在进入之前，靴子要在一个特殊的站点进行清洗。衣服和靴子被放在一边。进入清洁实验室的人在淋浴的另一侧脱衣、洗澡并穿上新的清洁服装以避免污染。一位实验室协调员负责检查实验室是否可以工作--检查氧气水平以及其他参数。从地面到开始工作约需要一个小时，在返回的路上也是如此--除去淋浴。在一天10个小时的工作中，每班留下约8个小时来组装实验。

一个由SNOLAB科学家和一名技术人员组成的四人小组轮流工作，两人一组进行安装。 没有人可以单独在地下，并且还要保持物理距离，另对最大人数也有限制。

Scorza称，收到的每件物品都必须经过“地下洗车场”。每件物品都是三层包装，两层托盘从而简化复杂的拆袋和擦拭材料过程，然后才可以进入洁净室实验室。在另一边则是洁净实验室。对于SENSEI来说，部件包括管道、电缆、容器、内侧的铜件、低温设备、铅和铜的屏蔽层及钟罩。

“当这些东西被设计出来时，当然，运输所有组装好的东西并不在要求清单中，”Tiffenberg说道，“对于我们运送的绝大多数东西，一切都非常好。”

只有一些小的塑料件--很容易更换--松动和破裂。

Tiffenberg称，一旦所有东西被打开，看起来不错，这是一个很大很大的安慰。

安装工作于4月19日开始，在夏末完成。

虽然SNOLAB的洁净室配备了电话和Wi-Fi，但文件之外的沟通主要发生在每周的会议上。该计划从一个星期转变到另一个星期，具体取决于团队是否能因为可用性和新冠限制而进入地下。

Scorza表示，SNOLAB允许科学家进行的混合工作--包括动手和分析--给了他们一个更完整的实验物理学经验。

“我相信，一个团队，一个由科学家组成的SNOLAB团队，原本跟实验关系不大，却能在地下安装方面取得进展，这表明，首先，物理学家是非常灵活的，”Scorza说道，“而且（它）证明了这个实验的计划是多么强大。向费米实验室团队致敬。”

Tiffenberg表示，他很感激安装过程中没有出现任何小插曲或意外。“花了很长时间才达到这种没有意外的情况。一开始，一切都感觉，‘好吧，我们花了很多时间来调整、协调、审查东西’。而这花了很长时间。但现在事情在发展，我们花在那里的时间我们很感激，因为现在一切都没有惊喜了。”

虽然现在实验正在获取数据，但以科学发现的形式出现的惊喜将是一个不错的奖励。

关键词： 科学探索 看科学家们如何在大流行期间在地下深处展开跨境