我们的目标
科学家们正在利用位于南达科他州铅市的桑福德地下九博体育研究设施（SURF）的空间进行一个名为执行天体物理九博体育研究的紧凑型加速器系统（CASPAR）的项目。CASPAR使用低能粒子加速器，使九博体育研究人员能够模拟恒星中的核聚变反应。如果成功的话，他们的发现可以帮助我们完整地了解宇宙中的元素是如何形成的。“核天体物理学九博体育研究的是恒星内部发生的事情，而不是它的外部，”从事CASPAR九博体育研究的圣母大学天体物理学助理九博体育研究教授丹·罗伯逊（Dan Robertson）说。“这不是观察性的，而是实验性的。我们的想法是重现恒星环境，重现恒星内部的反应。”
“我们的想法是重现恒星环境，重现恒星内部的反应。”
SURF位于前霍姆斯特克金矿（Homestake Gold Mine），该金矿从地下数千英尺的数百英里隧道中开采矿石，已经运营了一个多世纪。这种深度是像CASPAR这样的项目的关键。带着一种敏锐的讽刺意味，罗伯逊解释说，九博体育研究人员必须“复制恒星环境”，尽可能远离那种环境，以减少不断轰击地球的宇宙辐射，并产生干扰敏感物理实验的“噪音”。
罗伯逊说：“当我们进入地下时，我们上面有很多岩石，它们对宇宙射线有轻微的屏蔽作用。”“一旦你进入地下，宇宙射线背景几乎完全消失了。”
这是一个相当直接的理由，一个项目走了一条曲折的道路走向成果。
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巴黎圣母院与SURF的合作源于一个名为“深层地下科学与工程实验室”（DUSEL）的设施，该实验室由美国国家科学基金会（NSF）规划，是一个综合实验室，用于生物学、化学、地质学和物理学等多个领域的九博体育研究。
圣母大学的九博体育研究人员对DUSEL概念的一个方面特别感兴趣，称为DIANA（核天体物理双离子加速器）。据该大学负责九博体育研究的副校长罗伯特·j·伯恩哈德（Robert J. Bernhard）说，这是有充分理由的。伯恩哈德说：“核天体物理学界认为戴安娜是一个优先项目，并确定了迈克尔·维舍尔来领导这个设施。”
维舍尔是圣母大学的弗雷曼核物理学教授，他领导了国家科学基金会提案中戴安娜部分的规划。也就是说，直到联邦开支的削减使该项目无法获得资金。国家科学基金会最终要求维舍尔和圣母大学撤回戴安娜的提议，希望有一天能重新审视它。
“所以问题是，我们是放弃它，还是继续前进？”Wiescher回忆说。“我们决定继续前进，做一个小规模的版本。”
随着一个较小的项目的推进，NSF仍然可以参与其中，同时其他合作伙伴组成了一个联盟，包括南达科他州矿业与技术学院和科罗拉多州矿业学院。根据Bernhard的说法，CASPAR的合作性质表明了科学九博体育研究的总体趋势，特别是在巴黎圣母院。就其本身而言，巴黎圣母院正在战略性地投资实验室和设备，为多名九博体育研究人员和合作项目服务。
伯恩哈德说：“我们不再为单个实验室购买设备，而是将资金用于高性能、共享的设施，如综合成像设施、纳米九博体育研究和技术中心、基因组学和生物信息学设施、质谱和蛋白质组学设施。”
同样的理念也在SURF中发挥作用，它和CASPAR一样，有自己的间接实现途径。1874年，乔治·阿姆斯特朗·卡斯特（George Armstrong Custer）带领的探险队在南达科塔州的布莱克山（Black Hills）发现了黄金，随后建立了霍姆斯特克矿。五年后，霍姆斯特克矿业公司（Homestake Mining Company）开始运营，最终挖出了长达370英里、深达8000英尺的隧道，成为美国最深的矿井之一。这条金矿终其一生产出了125万公斤黄金（按今天的汇率计算，价值约为800亿美元），最终枯竭，Homestake金矿于2001年关闭。
Homestake的关闭导致了铅和周边地区的经济和身份危机。然而，除了金矿的历史，霍姆斯特克还有一个独特的天体物理学联系。
位于南达科塔州铅市的桑福德地下九博体育研究设施仍然被称为霍姆斯特克。
一个卷筒卷绕着超过5000英尺的钢丝绳在矿井里升降电梯。
紧凑型加速系统是模块化的，允许沿着矿井向下运输。
CASPAR系统的一部分。
CASPAR中使用的紧凑型加速器系统的另一部分。
1965年，布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的核化学家雷·戴维斯（Ray Davis）开始在霍姆斯特克矿井深处建立一个实验，目的是对中微子进行计数，中微子是恒星内部聚变反应产生的亚原子粒子。2002年，戴维斯因在霍姆斯特克的中微子九博体育研究而获得了诺贝尔物理学奖的一部分。
当霍姆斯特克宣布将关闭该矿时，物理学家们意识到戴维斯在中微子方面的成功，建议将该矿改造成一个地下深处的实验室。2004年，南达科他州立法机构成立了南达科他州科学技术管理局（SDSTA），与提出实验室建议的科学家合作。2006年，Homestake矿业公司将地下矿山捐赠给了SDSTA。同样在2006年，SDSTA接受了南达科他州慈善家丹尼·桑福德（T. Denny Sanford）捐赠的7000万美元，后者规定其中2000万美元用于桑福德科学教育中心（Sanford Science Education Center）。
巴黎圣母院实验核物理学教授、SDSTA董事会成员阿尼·阿普拉哈米安（Ani Aprahamian）说，然后真正的工作开始了。
“当你有一个矿井时，只是人们在地下挖掘岩石。它很脏，很脏，”阿普拉哈米安说。“这是一个需要高度清洁的地下实验室。这不仅仅是建造一个科学实验室，就像你在地面上那样。所以这种转变是相当惊人的。”
改造的第一步是从旧矿井的隧道中抽出数百万加仑的水。这项任务花了几个月时间。然后是在大约4,400平方英尺的CASPAR中安装所需的电力和技术基础设施。与此同时，圣母大学的天体物理学家们必须设计出一种方法来拆卸和移动一个在校园里放置了10年的加速器，把它搬到新的地下居所。
罗伯逊说：“我们与SURF团队合作，所以我们在圣母大学设计和建造的所有东西都是模块化的。”“我们的想法是，我们可以拆除每一部分，把它拆成更小的部分，然后从头开始重建。我们把它们全部装进两辆U-Haul货车，从校园一路拖到SURF。”
当它到达时，设备是通过最初设计用于运送人员和矿物的基础设施，而不是高度敏感的科学设备，被带到矿井下的。罗伯逊回忆起从地面到地下实验室大约两英里的一系列旅程，由于运输工具必须携带加速器部件，因此需要45分钟以上的时间。
独一无二的实验室之旅
这只是太空采矿的过去与科学的现在相遇的方式之一。的确，访问CASPAR不同于访问任何其他实验室环境。首先是一份全面的安全简报，并签署一系列豁免书。下到矿井前，要穿上工作服、钢头靴、护目镜和安全帽，腰上绑着一氧化碳探测器。接下来，你拿起一个刻有数字的金质奖章，在剪贴板上输入你的名字和数字。如果在一天结束的时候奖章不见了，很明显有人还在矿井里。虽然确实有效，但在探索宇宙起源的高技术工作中，这是一个迷人的并置于一起。
进入矿井的过程是在一个最多能容纳15人的笼子里进行的。在没有实验室设备的情况下，大约一英里长的旅程需要10分钟，这需要更慢的速度和更多的时间。然而，即使是这10分钟也会显得更长。笼子里唯一的光线来自笼子操作员安全帽上的头灯，它短暂地照亮了构成竖井的木材支撑和岩石桩。
下降之后，你到达了我们熟悉的4850冲浪水平。你进入了一个光线充足的区域，这里有隧道，或者用采矿术语来说是“漂流”，从右到左。CASPAR位于左侧一英里长的隧道中。穿过黑暗的隧道，进入CASPAR的原始高科技环境，这是一种惊人的体验。在那里，圣母大学的九博体育研究人员和博士生几乎完成了加速器的组装，加速器的部件是从圣母大学运来的，就像一个极其复杂的拼图游戏。实验预计将于2016年夏天开始。
来自圣母大学的九博体育研究助理教授Daniel Robertson和南达科他州矿业与技术学院的物理学副教授Frank Strieder（右）正在组装紧凑型加速器系统。
基础设施技术员、前金矿工人迈克·奥茨驾驶着火车穿过地下4850英尺的矿井隧道。
丹尼尔罗伯逊，九博体育研究助理教授，组装紧凑型加速器系统。
CASPAR九博体育研究人员正在寻求的突破性科学突破，如果没有前Homestake矿工的宝贵技术专长，就不可能实现，他们被带回来操作和维护仍在使用的矿山设备。矿工和天体物理学家已经形成了密切的工作关系，维舍尔指出，这两个群体之间的联系不仅仅局限于共同的工作空间。
“我们在CASPAR的目标是测量恒星中元素的演化，”他说。“有很多问题需要回答，其中一个是我们宇宙中碳氧的比例。这将由我们要测量的一个反应决定。同时，我们也想了解重元素的形成过程。当你观察古老的恒星——那些在大爆炸前后形成的恒星——它们的元素很少。你可以看到，在较年轻的恒星中，元素慢慢积累，包括重元素，比如金。”
换句话说，圣母大学的九博体育研究人员正在利用铅镇一个废弃的金矿，来确定哪些反应导致了恒星中金的形成，以及其他一些反应。
CASPAR按计划将成为同类项目中第一个取得成果的项目。Wiescher说，当它实现时，这些知识将对多个九博体育研究领域产生影响，最明显的是天文学和材料科学。罗伯逊补充说，有时这类实验会产生其他公众熟悉的技术。例如，核物理实验在开发核磁共振成像和PET扫描方面发挥了重要作用。虽然这些结果并不是像CASPAR这样的项目的预期目标，但伯恩哈德认为，在当今世界，它们仍然是至关重要的。
伯恩哈德说：“在全国范围内，人们越来越期望大学成为发现的工具，继续为更好地理解我们的世界和未来的经济提供基础。”“CASPAR项目是这类九博体育研究的一个很好的例子。”
目前，九博体育研究人员所寻求的是对宇宙更深入的了解。这样做的最好方法是建立一个更深的实验室，在那里宇宙可以被关闭，希望揭示它的秘密。