Обсерватория Камиока
Обсерватория Камиока , космических , Токийский университет Камиока ( лучей Центр исследования космических лучей исследования Институт , Камиока Учу Сорюши Кенкю Сисэцу , Японское произношение: [kamioka ɯtɕɯː soɾʲɯꜜːɕi keŋkʲɯː ɕiseꜜtsɯ] ) — лаборатория нейтрино и гравитационных волн, расположенная под землей в шахте Модзуми горно-металлургической компании Камиока недалеко от участка Камиока города Хида в префектуре Гифу , Япония . в обсерватории был проведен ряд новаторских экспериментов с нейтрино За последние два десятилетия . Все эксперименты были очень масштабными и внесли существенный вклад в развитие физики элементарных частиц , в частности в изучение нейтринной астрономии и нейтринных осцилляций .
Шахта
[ редактировать ]Шахта Модзуми — одна из двух соседних шахт, принадлежащих Kamioka Mining and Smelting Co. (дочерняя компания Mitsui Mining and Smelting Co. Mitsui Kinzoku. Архивировано 14 ноября 2016 г. в Wayback Machine ). [1] : 1 Шахта известна как место одного из величайших массовых отравлений в истории Японии . С 1910 по 1945 год шахтеры сбрасывали кадмий с обогатительного завода в местную воду. Этот кадмий вызвал то, что местные жители назвали болезнью итай-итай . Болезнь вызвала ослабление костей и сильную боль.
Хотя добыча полезных ископаемых прекратилась, металлургический завод продолжает перерабатывать цинк , свинец и серебро, добытые на других рудниках, а также перерабатывать их. [1] : 2, 6–7
В то время как все текущие эксперименты проводятся на северной шахте Модзуми, шахта Точибора в 10 км к югу [2] : 9 также доступен. Он не такой глубокий, но имеет более крепкие камни. [1] : 22, 24, 26 и это запланированное место для очень больших пещер Гипер-КамиокаНДЭ. [2] [3] : 19
Прошлые эксперименты
[ редактировать ]Из грузовика
[ редактировать ]
Первый из экспериментов Камиока был назван KamiokaNDE от Kamioka Nucleon Decay Experiment . Это был большой водный черенковский детектор, предназначенный для поиска распада протона . Чтобы наблюдать распад частицы со временем жизни , равным протону, эксперимент должен проводиться в течение длительного времени и наблюдать огромное количество протонов. Наиболее экономически эффективно это можно сделать, если мишень (источник протонов) и сам детектор изготовлены из одного и того же материала. Вода является идеальным кандидатом, потому что она недорогая, ее легко очищать, она стабильна и может обнаруживать релятивистские заряженные частицы благодаря излучению Черенкова . Детектор распада протона должен быть закопан глубоко под землей или в горе, потому что фон от космических лучей мюонов в таком большом детекторе, расположенном на поверхности Земли, будет слишком большим. Скорость мюонов в эксперименте KamiokaNDE составляла около 0,4 события в секунду, что примерно на пять порядков меньше, чем она была бы, если бы детектор располагался на поверхности. [4]
Отчетливый рисунок, создаваемый излучением Черенкова, позволяет идентифицировать частицы , что является важным инструментом как для понимания потенциального сигнала распада протона, так и для отклонения фона. Идентификация возможна, поскольку острота края кольца зависит от частицы, производящей излучение, или электроны (а, следовательно, и гамма-лучи ) создают нечеткие кольца из-за многократного рассеяния электронов малой массы. с минимальной ионизацией Мюоны , напротив, производят очень острые кольца, поскольку их более тяжелая масса позволяет им распространяться напрямую.
Строительство подземной обсерватории Камиока (предшественницы нынешней обсерватории Камиока Института исследования космических лучей Токийского университета ) началось в 1982 году и было завершено в апреле 1983 года. Детектор представлял собой цилиндрический резервуар , вмещавший 3000 тонн чистой воды и имело около 1000 фотоумножителей диаметром 50 см (ФЭУ), прикрепленных к внутренней поверхности. Размер внешнего детектора составлял 16,0 м в высоту и 15,6 м в диаметре. Детектору не удалось обнаружить распад протона, но он установил лучший на тот момент в мире предел времени жизни протона.
КамиокаНДЭ-I действовал в 1983–1985 годах.
КамиокаNDE-II
[ редактировать ]Эксперимент KamiokaNDE-II стал большим шагом вперед по сравнению с KamiokaNDE и позволил сделать значительное количество важных наблюдений. КамиокаНДЭ-II работал в 1985–1990 годах.
Солнечные нейтрино
[ редактировать ]В 1930-х годах Ганс Бете и Карл Фридрих фон Вайцзеккер выдвинули гипотезу, что источником энергии Солнца являются реакции термоядерного синтеза в его ядре. Хотя эта гипотеза была широко принята на протяжении десятилетий, не было возможности наблюдать ядро Солнца и непосредственно проверить эту гипотезу . Рэя Дэвиса Хоумстейк-эксперимент был первым, в котором были обнаружены солнечные нейтрино – убедительное доказательство того, что ядерная теория Солнца верна. На протяжении десятилетий эксперимент Дэвиса последовательно наблюдал лишь около 1/3 количества нейтрино, предсказанного Стандартными моделями Солнца его коллеги и близкого друга Джона Бахколла . Из-за большой технической сложности эксперимента и его зависимости от радиохимических методов, а не от прямого обнаружения в реальном времени, многие физики с подозрением отнеслись к его результату.
Было понятно, что большой водный детектор Черенкова может быть идеальным детектором нейтрино по нескольким причинам. Во-первых, огромный объем водного детектора Черенкова может решить проблему очень малого сечения солнечных нейтрино с энергией 5–15 МэВ . Во-вторых, водные детекторы Черенкова обеспечивают обнаружение событий в реальном времени. Это означало, что отдельные события-кандидаты нейтрино- электронного взаимодействия можно было изучать по отдельности, что резко отличалось от ежемесячных наблюдений, необходимых в радиохимических экспериментах. В-третьих, при взаимодействии нейтрино с рассеянием электронов электрон отскакивает примерно в том же направлении, в котором двигалось нейтрино (аналогично движению бильярдных шаров), поэтому электроны «направляются назад» к Солнцу. В-четвертых, рассеяние нейтрино-электронов — упругий процесс, поэтому распределение нейтрино по энергии можно изучать, дополнительно проверяя солнечную модель. В-пятых, характерное «кольцо», создаваемое излучением Черенкова, позволяет различать сигнал на фоне. Наконец, поскольку в эксперименте Черенкова с водой будут использоваться другая мишень, процесс взаимодействия, технология детектора и местоположение, он станет очень дополнительной проверкой результатов Дэвиса.
Было ясно, что KamiokaNDE можно использовать для проведения фантастического и нового эксперимента, но сначала необходимо было решить серьезную проблему. Наличие радиоактивного фона в КамиокаНДЭ означало, что детектор имел энергетический порог в десятки МэВ . Сигналы, производимые распадом протона и взаимодействием атмосферных нейтрино, значительно превышают этот, поэтому оригинальному детектору KamiokaNDE не нужно было особенно агрессивно подходить к своему энергетическому порогу или разрешению . Проблема решалась двумя способами. Участники эксперимента KamiokaNDE спроектировали и построили новые системы очистки воды для снижения радонового фона, и вместо того, чтобы постоянно загружать детектор «свежей» шахтной водой, они хранили воду в резервуаре, позволяя радону распадаться. Группа из Пенсильванского университета присоединилась к сотрудничеству и предоставила новую электронику с значительно улучшенными возможностями синхронизации. Дополнительная информация, предоставляемая электроникой, еще больше улучшила способность отличать нейтринный сигнал от радиоактивного фона. Еще одним улучшением стало расширение полости и установка инструментального «внешнего детектора». Дополнительная вода обеспечивала защиту от гамма-лучей из окружающей среды. камень , а внешний детектор обеспечил вето для мюонов космических лучей. [4] [5]
После завершения модернизации эксперимент был переименован в KamiokaNDE-II , и сбор данных начался в 1985 году. Эксперимент потратил несколько лет на борьбу с проблемой радона, а сбор «производственных данных» начался в 1987 году. Как только были накоплены данные за 450 дней, Эксперимент смог увидеть явное увеличение количества событий, направленных от Солнца в случайных направлениях. [4] Информация о направлении была явным признаком солнечных нейтрино, впервые напрямую продемонстрировав, что Солнце является источником нейтрино. Эксперимент продолжал собирать данные в течение многих лет и в конечном итоге обнаружил, что поток солнечных нейтрино составляет около 1/2 от предсказанного солнечными моделями. Это противоречило как солнечным моделям, так и эксперименту Дэвиса, который продолжался в то время и продолжал наблюдать только 1/3 предсказанного сигнала. Этот конфликт между потоком, предсказанным теорией Солнца , радиохимическими и водными детекторами Черенкова, стал известен как проблема солнечных нейтрино .
Атмосферные нейтрино
[ редактировать ]Поток атмосферных нейтрино значительно меньше потока солнечных нейтрино, но поскольку сечения реакций увеличиваются с увеличением энергии, их можно обнаружить в детекторе размером с КамиокаНДЭ-II. В эксперименте использовалось «соотношение отношений» для сравнения соотношения нейтрино с ароматом электрона и мюона с соотношением, предсказанным теорией (этот метод используется, поскольку многие систематические ошибки компенсируют друг друга). Такое соотношение указывало на дефицит мюонных нейтрино, но детектор был недостаточно велик, чтобы получить статистику, необходимую для того, чтобы назвать результат открытием . Этот результат стал известен как дефицит атмосферных нейтрино .
Сверхновая 1987А
[ редактировать ]Эксперимент Камиоканде-II проводился в особенно удачное время, поскольку , произошла вспышка сверхновой в тот момент, когда детектор был подключен к сети и принимал данные . Благодаря проведенным модернизациям детектор стал достаточно чувствительным, чтобы наблюдать тепловые нейтрино , производимые сверхновой 1987А , которая происходила примерно в 160 000 световых лет от нас в Большом Магеллановом Облаке . Нейтрино прибыли на Землю в феврале 1987 года, и детектор Камиоканде-II зарегистрировал 11 событий.
Распад нуклона
[ редактировать ]КамиокаНДЭ-II продолжил поиски КамиокаНДЭ по распаду протона и снова не смог его наблюдать. Эксперимент еще раз установил нижнюю границу периода полураспада протона.
Камиоканде-III
[ редактировать ]Последняя модернизация детектора KamiokaNDE-III работала в 1990–1995 годах.
Нобелевская премия
[ редактировать ]За свою работу по руководству экспериментами Камиока и, в частности, за первое в истории обнаружение астрофизических нейтрино Масатоши Кошиба был удостоен Нобелевской премии по физике в 2002 году. Рэймонд Дэвис-младший и Риккардо Джаккони Лауреатами этой премии стали .
К2К
[ редактировать ]KEK To Kamioka Эксперимент [6] использовали нейтрино ускорителя для проверки колебаний, наблюдаемых в сигнале атмосферных нейтрино с помощью хорошо контролируемого и понятного луча. Пучок нейтрино был направлен из ускорителя КЕК на Супер КамиокаНДЭ. В ходе эксперимента были обнаружены параметры колебаний, которые соответствовали параметрам, измеренным Super-K.
Текущие эксперименты
[ редактировать ]Супер Камиоканде
[ редактировать ]К 1990-м годам физики элементарных частиц начали подозревать, что проблема солнечных нейтрино и дефицит атмосферных нейтрино как-то связаны с осцилляциями нейтрино . Детектор Супер Камиоканде был разработан для проверки гипотезы о колебаниях как солнечных, так и атмосферных нейтрино. Детектор Супер-Камиоканде огромен даже по стандартам физики элементарных частиц. Он состоит из 50 000 тонн чистой воды, окруженной примерно 11 200 фотоумножителями. Детектор снова был спроектирован в виде цилиндрической конструкции, на этот раз высотой 41,4 м (136 футов) и шириной 39,3 м (129 футов). Детектор был окружен значительно более сложным внешним детектором, который мог не только служить вето для космических мюонов, но и фактически помогать в их реконструкции.
Супер-Камиоканде начал сбор данных в 1996 году и провел несколько важных измерений. К ним относятся прецизионное измерение потока солнечных нейтрино с использованием взаимодействия упругого рассеяния, первое очень убедительное доказательство осцилляций атмосферных нейтрино и значительно более строгий предел распада протона.
Нобелевская премия
[ редактировать ]За работу с Супер Камиоканде Такааки Кадзита разделил Нобелевскую премию 2015 года с Артуром Макдональдом .
Супер Камиоканде-II
[ редактировать ]12 ноября 2001 года несколько тысяч фотоумножителей в детекторе Супер-Камиоканде взорвались , по-видимому, в результате цепной реакции , когда ударная волна от сотрясения каждой взорвавшейся трубки расколола соседние трубки. Детектор был частично восстановлен путем перераспределения трубок фотоумножителей, которые не взорвались, и добавления защитных акриловых оболочек, которые, как надеялись, предотвратят повторение еще одной цепной реакции. Данные, полученные после взрыва, называются данными Супер Камиоканде-II .
Супер Камиоканде-III
[ редактировать ]В июле 2005 года началась подготовка к восстановлению первоначального вида детектора путем переустановки около 6000 новых ФЭУ. Он был завершен в июне 2006 года. Данные, полученные с помощью недавно восстановленной машины, получили название набора данных SuperKamiokande-III .
Супер Камиоканде-IV
[ редактировать ]В сентябре 2008 года детектор завершил свою последнюю крупную модернизацию с использованием современной электроники и усовершенствований динамики водной системы, методов калибровки и анализа. Это позволило SK получить свой самый большой набор данных ( СуперКамиоканде-IV ), который продолжался до июня 2018 года, когда будет проведен ремонт нового детектора, включающий полный слив воды из резервуара и замену электроники, ФЭУ, внутренних конструкций и других деталей.
Токай То Камиока (T2K)
[ редактировать ]Эксперимент с длинной базой «Токай-Камиока» начался в 2009 году. Он позволяет точно измерить параметры осцилляций атмосферных нейтрино и помогает установить значение θ 13 . Он использует луч нейтрино, направленный на детектор Супер Камиоканде из Японского адронного комплекса 50 ГэВ (в настоящее время 30 ГэВ) протонного синхротрона в Токае, так что нейтрино преодолевают общее расстояние 295 км (183 мили).
В 2013 году Т2К впервые наблюдал нейтринные осцилляции в канале появления: трансформацию мюонных нейтрино в электронные нейтрино. [7] В 2014 году сотрудничество предоставило первые ограничения на значение фазы, нарушающей CP, а также наиболее точное измерение угла смешивания θ 23 . [8]
КамЛАНД
[ редактировать ]Эксперимент KamLAND представляет собой жидкостный сцинтилляционный детектор, предназначенный для обнаружения реакторных антинейтрино . KamLAND является дополнительным экспериментом к Нейтринной обсерватории Садбери , потому что, хотя эксперимент SNO имеет хорошую чувствительность к солнечному углу смешивания , но плохую чувствительность к квадрату разницы масс, KamLAND имеет очень хорошую чувствительность к квадрату разницы масс и плохую чувствительность к углу смешивания. Данные двух экспериментов можно объединить, если CPT является действительной симметрией нашей Вселенной . Эксперимент KamLAND расположен в оригинальной полости KamiokaNDE.
Криогенная лазерная интерферометрическая обсерватория (CLIO)
[ редактировать ]CLIO — это небольшой детектор гравитационных волн с плечами длиной 100 м (330 футов), который недостаточно велик для обнаружения астрономических гравитационных волн, но является прототипом технологии криогенных зеркал для более крупного детектора KAGRA.
КАГРА
[ редактировать ]Детектор гравитационных волн KAmioka GRA (ранее LCGT, Крупномасштабный криогенный гравитационно-волновой телескоп) был одобрен в 2010 году, раскопки завершились в марте 2014 года. [9] а первая фаза вводится в эксплуатацию в 2016 году. Это лазерный интерферометр с двумя плечами длиной 3 км каждый, который, когда он будет завершен примерно в 2018 году, будет иметь запланированную чувствительность для обнаружения сливающихся двойных нейтронных звезд на расстоянии в сотни Мпк .
Рождество
[ редактировать ]XMASS — это подземный эксперимент с жидким сцинтиллятором в Камиоке. Он искал темную материю .
НЬЮЭЙДЖ
[ редактировать ]NEWAGE — это чувствительный к направлению эксперимент по поиску темной материи, проводимый с использованием газовой камеры микропроекции времени. [10] [11]
Будущие эксперименты
[ редактировать ]Гипер-Камиоканде
[ редактировать ]Есть программа [3] построить детектор в десять раз больший, чем Супер Камиоканде, и этот проект известен под названием Гипер-Камиоканде . Первый танк поступит в строй в середине 2020-х годов. [12] На момент «инаугурации» в 2017 году было объявлено, что резервуар(ы) будет в 20 раз больше предыдущего (1000 миллионов литров в Гипер-Камиоканде против 50 миллионов в Супер-Камиоканде ).
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Накагава, Тецуо (9 апреля 2005 г.). Исследование раскопок пещеры Гипер-КАМИОКАНДЕ на шахте Камиока в Японии (PDF) . Следующее поколение детекторов распада нуклонов и нейтрино . Оссуа, Савойя, Франция.
- ^ Перейти обратно: а б Сиодзава, Масато (15 декабря 2010 г.). Дизайн Гипер-Камиоканде (PDF) . 11-й международный семинар по распаду нуклонов нового поколения и детекторам нейтрино (NNN10) . Тояма . Проверено 27 августа 2011 г.
- ^ Перейти обратно: а б Абэ, К.; и др. (Рабочая группа Гипер-Камиоканке) (15 сентября 2011 г.). «Письмо о намерениях: эксперимент Гипер-Камиоканде — конструкция детектора и физический потенциал —». arXiv : 1109.3262 [ hep-ex ].
- ^ Перейти обратно: а б с Накахата, Масаюки «Грузовик и супер-грузовик» (PDF ) Ассоциация физических обществ Азиатско-Тихоокеанского региона . Проверено 0 апреля 2014 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Накамура, Кензо. «Настоящее состояние и будущее Камиоканде» (PDF) . Институт исследования космических лучей Токийского университета . Проверено 15 сентября 2018 г.
- ^ «Эксперимент нейтринных осцилляций с длинной базой, от KEK до Камиока (K2K)» . Проверено 10 сентября 2008 г.
- ^ Абэ, К.; и др. (Сотрудничество T2K) (14 февраля 2014 г.). «Наблюдение появления электронных нейтрино в пучке мюонных нейтрино». Письма о физических отзывах . 112 (6): 061802. arXiv : 1311.4750 . Бибкод : 2014PhRvL.112f1802A . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.061802 . ПМИД 24580687 . S2CID 2586182 .
- ^ Абэ, К.; и др. (Сотрудничество T2K) (апрель 2015 г.). «Измерения нейтринных осцилляций в каналах появления и исчезновения экспериментом Т2К с 6,6×10 20 протоны на мишени». Physical Review D. 91 ( 7): 072010. arXiv : 1502.01550 . Bibcode : 2015PhRvD..91g2010A . doi : 10.1103/PhysRevD.91.072010 . S2CID 34184232 .
- ^ «Раскопки 7-километрового туннеля КАГРЫ завершены» (пресс-релиз). Токийский университет. 31 марта 2014 года . Проверено 7 июня 2015 г.
- ^ Хашимото, Такаши; Миучи, Кентаро; Накамура, Кисеки; Якабэ, Рёта; Икеда, Томонори; Тайсяку, Рёске; Наказава, Мики; Исиура, Хирохиса; Очи, Ацухико; Такеучи, Ясуо; Барби, М.; Баркер, Дж.Дж.; Барр, Г.; Басс, М.; Баткевич, М.; Бэй, Ф.; Бентам, Юго-Запад; Берарди, В.; Бергер, Бельгия; Беркман, С.; Бертрам, И.; Бхадра, С.; Блащик, Ф.д. М.; Блондель, А.; Боечко, К.; Бордони, С.; Бойд, С.Б.; Брэйлсфорд, Д.; Бравар, А.; и др. (2018). «Разработка µ-PIC с низким уровнем альфа-излучения для чувствительного к направлению поиска темной материи NEWAGE» . Серия конференций Американского института физики . Материалы конференции AIP. 1921 (1): 070001. arXiv : 1707.09744 . Бибкод : 2018AIPC.1921g0001H . дои : 10.1063/1.5019004 . S2CID 103159914 .
- ^ Накамура, К.; Миучи, К.; Танимори, Т.; Кубо, Х.; Такада, А.; Паркер, доктор медицинских наук; Мизумото, Т.; Мизумура, Ю.; Нисимура, Х.; Секия, Х.; Такеда, А.; Савано, Т.; Мацуока, Ю.; Комура, С.; Ямагути, Ю.; Хасимото, Т. (2015). «Пеленгационно-чувствительный поиск темной материи с помощью газового детектора слежения NEWAGE-0.3b' » . Успехи теоретической и экспериментальной физики . 2015 (4): 43F01–0. Бибкод : 2015PTEP.2015d3F01N . дои : 10.1093/ptep/ptv041 .
- ^ «Проект Гипер-Камиоканде включен в дорожную карту крупных проектов MEXT» . ГиперКамиоканде . 4 августа 2017 г. Архивировано из оригинала 14 августа 2022 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Официальная домашняя страница Супер-Камиоканде
- Домашняя страница американского Super-K
- Официальный отчет об аварии Супер-К (в формате PDF)
- Сайт Т2К
Лаборатории подземной физики ( м вод. экв. защиты) |
|---|
36 ° 25,6' с.ш. 137 ° 18,7' в.д. / 36,4267 ° с.ш. 137,3117 ° в.д. (Гора Икено)