Нейтринная обсерватория Садбери
| За пределами стандартной модели |
|---|
 |
| Стандартная модель |
( Нейтринная обсерватория Садбери SNO ) — нейтринная обсерватория, расположенная на глубине 2100 м под землей в в Вейла шахте Крейтон Садбери , Онтарио , Канада. Детектор был разработан для обнаружения солнечных нейтрино посредством их взаимодействия с большим резервуаром с тяжелой водой .
Детектор был включен в мае 1999 г. и выключен 28 ноября 2006 г. После этого коллаборация СНО работала несколько лет, анализируя полученные данные.
Руководитель эксперимента Арт Макдональд был удостоен Нобелевской премии по физике в 2015 году за вклад эксперимента в открытие нейтринных осцилляций . [1]
Подземная лаборатория была расширена до постоянного объекта и теперь проводит многочисленные эксперименты под названием SNOLAB . Само оборудование СНО по состоянию на февраль 2017 года находилось на ремонте. [update] для использования в эксперименте SNO+ .
мотивация Экспериментальная
Первые измерения количества солнечных нейтрино, достигающих Земли, были проведены в 1960-х годах, и во всех экспериментах, предшествовавших SNO, наблюдалось на треть-половину меньше нейтрино, чем предсказывалось Стандартной солнечной моделью . Поскольку несколько экспериментов подтвердили этот дефицит, эффект стал известен как проблема солнечных нейтрино . В течение нескольких десятилетий было выдвинуто множество идей, пытаясь объяснить эффект, одной из которых была гипотеза нейтринных осцилляций . Все детекторы солнечных нейтрино до SNO были чувствительны в первую очередь или исключительно к электронным нейтрино и практически не давали никакой информации о мюонных нейтрино и тау-нейтрино .
В 1984 году Херб Чен из Калифорнийского университета в Ирвине впервые указал на преимущества использования тяжелой воды в качестве детектора солнечных нейтрино. [2] В отличие от предыдущих детекторов, использование тяжелой воды сделало бы детектор чувствительным к двум реакциям: одна реакция чувствительна ко всем ароматам нейтрино, а другая реакция чувствительна только к электронным нейтрино. Таким образом, такой детектор мог бы напрямую измерять нейтринные осцилляции. Место в Канаде было привлекательным, поскольку компания Atomic Energy of Canada Limited , которая хранит большие запасы тяжелой воды для поддержки своих CANDU реакторных электростанций , была готова предоставить необходимую сумму (на сумму 330 миллионов канадских долларов по рыночным ценам) бесплатно. [3] [4]
Шахта Крейтон в Садбери является одной из самых глубоких в мире и, соответственно, испытывает очень небольшой фоновый поток радиации. Его быстро определили как идеальное место для проведения эксперимента, предложенного Ченом. [3] и руководство рудника было готово предоставить это место только за дополнительные затраты. [5] : 440
Коллаборация SNO провела свою первую встречу в 1984 году. В то время она конкурировала с предложением TRIUMF KAON Factory за федеральное финансирование, и большое количество университетов, поддерживающих SNO, быстро привело к тому, что она была выбрана для разработки. Официальное добро было дано в 1990 году.
В эксперименте наблюдался свет, создаваемый релятивистскими электронами в воде, создаваемый нейтринными взаимодействиями. Когда релятивистские электроны путешествуют через среду, они теряют энергию, создавая конус синего света в результате эффекта Черенкова , и именно этот свет детектируется напрямую.
Описание детектора [ править ]
Мишень детектора SNO состояла из 1000 тонн (1102 коротких тонн ) тяжелой воды сосуде радиусом 6 метров (20 футов) , содержавшейся в акриловом . Полость детектора снаружи сосуда была заполнена обычной водой, чтобы обеспечить плавучесть сосуда и радиационную защиту . Тяжелая вода наблюдалась с помощью примерно 9600 фотоумножителей (ФЭУ), установленных на геодезической сфере с радиусом около 850 сантиметров (28 футов). Полость, в которой находился детектор, была самой большой в мире на такой глубине. [6] требуются различные высокопроизводительные методы крепления анкерных креплений для предотвращения горных ударов.
Обсерватория расположена в конце штрека длиной 1,5 километра (0,9 мили) , получившего название «штраф СНО», изолируя ее от других горнодобывающих работ. Вдоль штрека расположено несколько операционных и аппаратных помещений, все они расположены в чистых помещениях . Большая часть объекта относится к классу 3000 (менее 3000 частиц размером 1 мкм и более на 1 фут 3 воздуха), но последняя полость, содержащая детектор, относится к еще более строгому классу 100 . [3]
Начислено текущее взаимодействие [ править ]
При взаимодействии заряженного тока нейтрино превращает нейтрон в дейтроне в протон . В результате реакции нейтрино поглощается и образуется электрон. Солнечные нейтрино имеют энергии меньшие, чем масса мюонов и тау-лептонов , поэтому в этой реакции могут участвовать только электронные нейтрино. Испущенный электрон уносит большую часть энергии нейтрино, порядка 5–15 МэВ , и его можно обнаружить. Образующийся протон не обладает достаточной энергией, чтобы его можно было легко обнаружить. Электроны, образующиеся в этой реакции, испускаются во всех направлениях, но у них есть небольшая тенденция указывать назад в направлении, откуда пришло нейтрино.
Взаимодействие нейтрального тока [ править ]
При взаимодействии нейтрального тока нейтрино диссоциирует дейтрон, разбивая его на составляющие нейтрон и протон. Нейтрино продолжает двигаться дальше с немного меньшей энергией, и в этом взаимодействии с одинаковой вероятностью будут участвовать все три типа нейтрино. Тяжелая вода имеет небольшое поперечное сечение для нейтронов, но когда нейтроны захватываются ядром дейтерия, гамма-луч ( фотон образуется ) с энергией примерно 6 МэВ. Направление гамма-лучей совершенно не коррелирует с направлением нейтрино. Некоторые нейтроны, образующиеся из диссоциированных дейтронов, попадают через акриловый сосуд в легкую водяную рубашку, окружающую тяжелую воду, а поскольку легкая вода имеет очень большое сечение захвата нейтронов, эти нейтроны захватываются очень быстро. В этой реакции образуются гамма-лучи с энергией примерно 2,2 МэВ, но поскольку энергия фотонов меньше энергетического порога детектора (то есть они не запускают фотоумножители), их невозможно наблюдать напрямую. Однако когда гамма-лучи сталкиваются с электроном посредством комптоновского рассеяния, ускоренный электрон можно обнаружить с помощью черенковского излучения.
электронов Упругое рассеяние
При упругом рассеянии нейтрино сталкивается с атомным электроном и передает ему часть своей энергии. Все три нейтрино могут участвовать в этом взаимодействии посредством обмена нейтральным Z-бозоном , а электронные нейтрино могут участвовать также при обмене заряженным W-бозоном . По этой причине в этом взаимодействии доминируют электронные нейтрино, и это канал, через который детектор Супер-Камиоканде (Супер-К) может наблюдать солнечные нейтрино. Это взаимодействие является релятивистским эквивалентом биллиарда , и по этой причине образующиеся электроны обычно указывают в направлении движения нейтрино (от Солнца). Поскольку это взаимодействие происходит на атомных электронах, оно происходит с одинаковой скоростью как в тяжелой, так и в легкой воде.
и Результаты влияние экспериментов
Первые научные результаты SNO были опубликованы 18 июня 2001 г. [7] [8] и представили первые четкие доказательства того, что нейтрино колеблются (т.е. что они могут превращаться друг в друга), когда удаляются от Солнца. Это колебание, в свою очередь, означает, что нейтрино имеют ненулевую массу. Суммарный поток всех ароматов нейтрино, измеренный SNO, хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями. Дальнейшие измерения, проведенные SNO, с тех пор подтвердили и улучшили точность первоначального результата.
Хотя Super-K опередил SNO, опубликовав доказательства осцилляций нейтрино еще в 1998 году, результаты Super-K не были окончательными и не касались конкретно солнечных нейтрино. Результаты СНО были первыми, кто напрямую продемонстрировал колебания солнечных нейтрино. Это было важно для стандартной солнечной модели . В 2007 году Институт Франклина наградил директора SNO Арта Макдональда медалью Бенджамина Франклина по физике. [9] В 2015 году Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Артуру Б. Макдональду и Такааки Кадзита из Токийского университета за открытие нейтринных осцилляций. [10]
Другие анализы возможные
Детектор SNO был бы способен обнаружить сверхновую в нашей галактике, если бы она произошла, когда детектор был в сети. Поскольку нейтрино, испускаемые сверхновой, высвобождаются раньше, чем фотоны, можно предупредить астрономическое сообщество до того, как сверхновая станет видимой. SNO был одним из основателей Системы раннего предупреждения о сверхновых (SNEWS) с Супер-Камиоканде и детектором большого объема . Таких сверхновых пока не обнаружено.
В эксперименте SNO также удалось наблюдать атмосферные нейтрино, образующиеся в результате взаимодействия космических лучей в атмосфере. Из-за ограниченных размеров детектора СНО по сравнению с Супер-К низкий сигнал нейтрино космических лучей не является статистически значимым при энергиях нейтрино ниже 1 ГэВ .
Участвующие учреждения [ править ]
Крупные эксперименты по физике элементарных частиц требуют масштабного сотрудничества. SNO, насчитывавшая примерно 100 сотрудников, была довольно маленькой группой по сравнению с экспериментами на коллайдере . В число участвующих учреждений вошли:
Канада [ править ]
- Карлтонский университет
- Лаврентийский университет
- Королевский университет - спроектировал и построил множество калибровочных источников и устройство для размещения источников.
- ТРИУМФ
- Университет Британской Колумбии
- Университет Гвельфа
больше не является сотрудничающей организацией, Хотя компания Chalk River Laboratories она возглавила строительство акрилового сосуда для хранения тяжелой воды, а Atomic Energy of Canada Limited источником тяжелой воды была компания .
Соединенное Королевство [ править ]
- Оксфордский университет эксперимента - разработал большую часть программы анализа Монте-Карло (SNOMAN) и поддерживал ее.
- Университет Сассекса – калибровка
США [ править ]
- Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (LBNL) - руководила строительством геодезической конструкции, на которой хранятся ФЭУ.
- Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (PNNL)
- Лос-Аламосская национальная лаборатория (LANL)
- Пенсильванский университет - спроектировал и изготовил входную электронику и триггер.
- Вашингтонский университет - спроектировал и построил пропорциональные счетчики для регистрации нейтронов на третьем этапе эксперимента.
- Брукхейвенская национальная лаборатория
- Техасский университет в Остине
- Массачусетский технологический институт
Почести и награды [ править ]
- Астероид 14724 SNO назван в честь SNO.
- В ноябре 2006 года вся команда SNO была награждена первой Премией Джона К. Поланьи за «недавний выдающийся прогресс в любой области естественных наук или техники», проведенной в Канаде . [11]
- Главный исследователь SNO Артур Б. Макдональд получил Нобелевскую премию по физике 2015 года вместе с Такааки Кадзита из Супер-Камиоканде за открытие нейтринных осцилляций.
- SNO был удостоен премии по фундаментальной физике 2016 года вместе с четырьмя другими экспериментами с нейтрино.
См. также [ править ]
- DEAP - Эксперимент с темной материей с использованием формы аргонового импульса в точке SNO
- Хоумстейк-эксперимент - предшественник эксперимента, проведенный в 1970–1994 годах на шахте в Лиде, Южная Дакота.
- СНО+ – преемник СНО
- СНОЛАБ - Вокруг СНО строится постоянная подземная физическая лаборатория.
Ссылки [ править ]
46 ° 28'30 "N 81 ° 12'04" W / 46,47500 ° N 81,20111 ° W [12]
- ^ «Нобелевская премия по физике 2015 года: канадец Артур Б. Макдональд разделяет победу с японцем Такааки Кадзита» . Новости ЦБК . 06.10.2015.
- ^ Чен, Герберт Х. (сентябрь 1984 г.). «Прямой подход к решению проблемы солнечных нейтрино». Письма о физических отзывах . 55 (14): 1534–1536. Бибкод : 1985PhRvL..55.1534C . doi : 10.1103/PhysRevLett.55.1534 . ПМИД 10031848 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с «Нейтринная обсерватория Садбери – взгляд Канады на Вселенную» . ЦЕРН Курьер . ЦЕРН . 4 декабря 2001 г. Проверено 4 июня 2008 г.
- ^ «Тяжелая вода» . 31 января 2006 г. Архивировано из оригинала 19 декабря 2015 г. Проверено 3 декабря 2015 г.
- ^ Джелли, Ник; Макдональд, Артур Б .; Робертсон, Р.Г. Хэмиш (2009). «Нейтринная обсерватория Садбери» (PDF) . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 59 (1): 431–65. Бибкод : 2009ARNPS..59..431J . дои : 10.1146/annurev.nucl.55.090704.151550 . Хорошая ретроспектива проекта.
- ^ Брюэр, Роберт. «Глубокая сфера: уникальный структурный проект Обсерватории нейтрино Садбери, похороненной под землей» . Канадский инженер-консультант . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 14 января 2016 г.
- ^ Ахмад, QR; и др. (2001). «Измерение скорости ν e + d → p + p + e − Взаимодействия 8 B Солнечные нейтрино в Нейтринной обсерватории Садбери». Physical Review Letters . 87 (7): 071301. arXiv : nucl-ex/0106015 . Bibcode : 2001PhRvL..87g1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.071301 . PMID 11 497878 .
- ^ «Первые научные результаты Нейтринной обсерватории Садбери» . 3 июля 2001 г. Архивировано из оригинала 12 декабря 2015 г. Проверено 4 июня 2008 г.
- ^ «Артур Б. Макдональд, доктор философии» . База данных лауреатов Франклина . Институт Франклина . Архивировано из оригинала 4 октября 2008 г. Проверено 4 июня 2008 г.
- ^ «Нобелевская премия по физике 2015» . Проверено 06 октября 2015 г.
- ^ «Прошлые победители – Нейтринная обсерватория Садбери» . НСЕРК . 3 марта 2008 г. Проверено 4 июня 2008 г.
- ^ Руководство пользователя SNOLAB, ред. 2 (PDF) , 26 июня 2006 г., стр. 33 , получено 1 февраля 2013 г.
Внешние ссылки [ править ]
СМИ, связанные с нейтринной обсерваторией Садбери, на Викискладе? - Официальный сайт СНО
- Введение Джошуа Кляйна в SNO, солнечные нейтрино и Пенна в SNO
- «Экспериментальная пещера» . ПРОВОДНАЯ Наука . Эпизод 104. 24 октября 2007 г. ПБС .
- Автор сценария и режиссер Дэвид Сингтон (21 февраля 2006 г.). «Частица-призрак» . Нова . Сезон 34. Эпизод 3306 (607). ПБС .
- Демонстрация канадских инженерных достижений: Нейтринная обсерватория Садбери (IEEE Канада). Несколько статей о строительстве СНО.
- эксперимента SNO Запись на INSPIRE-HEP
