Супер-Камиоканде
| За пределами стандартной модели |
|---|
 |
| Стандартная модель |
36 ° 25'32,6 "N 137 ° 18'37,1" E / 36,425722 ° N 137,310306 ° E [1]
Супер-Камиоканде (сокращение от Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment , также сокращенно Super-K или SK ; японский : スーパーカミオカンデ ) — нейтринная обсерватория, расположенная под горой Икено недалеко от города Хида , префектура Гифу , Япония. Он управляется Институтом исследования космических лучей при Токийского университета помощи международной команды. [2] [3] Он расположен на глубине 1000 м (3300 футов) под землей в шахте Модзуми в районе Камиока Хиды. Обсерватория была предназначена для обнаружения нейтрино высоких энергий, для поиска распада протона , изучения солнечных и атмосферных нейтрино , а также наблюдения за сверхновыми в Галактике Млечный Путь .
Описание [ править ]
Super-K расположен на глубине 1000 м (3300 футов) под землей в шахте Модзуми в районе Камиока Хиды. [4] [5] Он состоит из цилиндрического резервуара из нержавеющей стали высотой 41,4 м (136 футов) и диаметром 39,3 м (129 футов), вмещающего 50 220 тонн (55 360 тонн США) сверхчистой воды . Объем резервуара разделен надстройкой из нержавеющей стали на внутреннюю зону детектора (ID) высотой 36,2 м (119 футов) и диаметром 33,8 м (111 футов) и внешний детектор (OD), который состоит из оставшейся части резервуара. объем бака. На надстройке установлены 11 146 фотоумножителей (ФЭУ) диаметром 50 см (20 дюймов), обращенных к внутреннему диаметру, и 1885 ФЭУ диаметром 20 см (8 дюймов), обращенных к наружному диаметру. части . К надстройке прикреплен барьер из Тайвека и черного листа, который оптически разделяет внутреннюю и наружную [ нужна ссылка ]
Взаимодействие нейтрино с электронами или ядрами воды может привести к образованию заряженной частицы, которая движется быстрее скорости света в воде , что медленнее скорости света в вакууме . Это создает конус света, известный как черенковское излучение , которое является оптическим эквивалентом звукового удара . Черенковский свет проецируется в виде кольца на стенку детектора и регистрируется ФЭУ. Используя информацию о времени и заряде, записанную каждым ФЭУ, определяется вершина взаимодействия, направление кольца и аромат падающего нейтрино. По остроте края кольца можно определить тип частицы. Многократное рассеяние электронов велико, поэтому электромагнитные ливни создают нечеткие кольца. Высокорелятивистские , напротив мюоны , проходят через детектор почти прямо и создают кольца с острыми краями. [ нужна ссылка ]
История [ править ]
Строительство предшественника нынешней обсерватории Камиока , Института исследования космических лучей , Токийского университета началось в 1982 году и было завершено в апреле 1983 года. Целью обсерватории было обнаружение существования распада протона , одного из наиболее фундаментальных вопросов физика элементарных частиц. [6] [7] [8] [9] [10]
Детектор, получивший название KamiokaNDE в честь эксперимента по распаду нуклона Камиока, представлял собой резервуар высотой 16,0 м (52 фута) и шириной 15,6 м (51,2 фута), содержащий 3058 тонн (3400 тонн США) чистой воды и около 1000 фотоумножительных трубок (ФЭУ). ), прикрепленный к его внутренней поверхности. Начиная с 1985 года детектор был модернизирован, чтобы позволить ему наблюдать солнечные нейтрино. В результате детектор (KamiokaNDE-II) стал достаточно чувствительным, чтобы обнаружить десять нейтрино от SN 1987A , сверхновой , которая наблюдалась в Большом Магеллановом Облаке в феврале 1987 года, и наблюдать солнечные нейтрино в 1988 году. Эксперимент по наблюдению направления электронов, образующихся при взаимодействии солнечных нейтрино, позволил экспериментаторам впервые напрямую продемонстрировать, что Солнце является источником нейтрино.
Совершая открытия в нейтринной астрономии и нейтринной астрофизике, Камиоканде ни разу не обнаружил распад протона, что было основной целью его создания. Отсутствие каких-либо подобных наблюдений отодвинуло возможный период полураспада любого потенциального распада протона достаточно далеко, чтобы исключить некоторые модели Великого объединения , которые допускают такой распад. Другие модели предсказывают более длительный период полураспада и более редкие распады. Чтобы увеличить вероятность обнаружения таких распадов, потребуется детектор большего размера. Более высокая чувствительность также была необходима для получения более высокой статистической достоверности других обнаружений. Это привело к проектированию и строительству Супер-Камиоканде, в котором объем воды в пятнадцать раз больше, а ФЭУ в десять раз больше, чем в Камиоканде.
Проект Супер-Камиоканде был одобрен Министерством образования, науки, спорта и культуры Японии в 1991 году на общую сумму около 100 миллионов долларов. Американская часть предложения, которая заключалась в первую очередь в создании системы OD, была одобрена Министерством энергетики США в 1993 году за 3 миллиона долларов. Кроме того, США также предоставили около 2000 ФЭУ диаметром 20 см, переработанных в ходе эксперимента IMB . [11]
Супер-Камиоканде начал работу в 1996 году и объявил о первых доказательствах нейтринных осцилляций в 1998 году. [12] Это было первое экспериментальное наблюдение, подтверждающее теорию о том, что нейтрино имеет ненулевую массу — возможность, о которой теоретики размышляли в течение многих лет. 2015 года Нобелевская премия по физике была присуждена исследователю Супер-Камиоканде Такааки Каджита вместе с Артуром Макдональдом из Нейтринной обсерватории Садбери за работу по подтверждению нейтринных осцилляций.
12 ноября 2001 года около 6600 фотоумножителей (стоимостью около 3000 долларов США каждая) [13] ) в детекторе Супер-Камиоканде взорвался , по-видимому, в результате цепной реакции или каскадного отказа , поскольку ударная волна от сотрясения каждой взрывающейся трубки расколола соседние трубки. Детектор был частично восстановлен путем перераспределения трубок фотоумножителей, которые не взорвались, и добавления защитных акриловых оболочек, которые, как надеются, предотвратят повторение еще одной цепной реакции (Супер-Камиоканде-II).
В июле 2005 года началась подготовка к восстановлению детектора в первоначальном виде путем переустановки около 6000 ФЭУ. Работа была завершена в июне 2006 года, после чего детектор был переименован в Супер-Камиоканде-III. На этом этапе эксперимента собирались данные с октября 2006 года по август 2008 года. Тогда в электронике были сделаны значительные обновления. После модернизации новый этап эксперимента получил название Супер-Камиоканде-IV. SK-IV собирал данные о различных естественных источниках нейтрино, а также выступал в качестве дальнего детектора в эксперименте по осцилляциям нейтрино с длинной базой Токай-Камиока (T2K).
СК-IV продолжался до июня 2018 года. После этого осенью 2018 года детектор прошел полный ремонт. 29 января 2019 года детектор возобновил сбор данных. [14]
В 2020 году детектор был модернизирован для проекта SuperKGd путем добавления в сверхчистую воду соли Gd, чтобы обеспечить обнаружение антинейтрино от взрывов сверхновых. [15]
Детектор [ править ]
Супер-Камиоканде (СК) — черенковский детектор, используемый для изучения нейтрино из различных источников, включая Солнце, сверхновые, атмосферу и ускорители. Его также используют для поиска распада протона. Эксперимент начался в апреле 1996 года и был остановлен на техническое обслуживание в июле 2001 года, в период, известный как «СК-I». Поскольку во время технического обслуживания произошла авария, эксперимент возобновился в октябре 2002 года с использованием только половины первоначального количества ID-ФЭУ. Чтобы предотвратить дальнейшие несчастные случаи, все ID-ФЭУ были покрыты армированным волокном пластиком с акриловыми передними окнами. Этот этап с октября 2002 г. до следующего закрытия всей реконструкции в октябре 2005 г. называется «SK-II». В июле 2006 г. эксперимент возобновился с полным количеством ФЭУ и был остановлен в сентябре 2008 г. для модернизации электроники. Этот период был известен как «СК-III». Период после 2008 года известен как «СК-IV». Фазы и их основные характеристики сведены в таблицу 1. [16]
| Фаза | СК-И | СК-II | СК-III | СК-IV | |
|---|---|---|---|---|---|
| Период | Начинать | 1996 апрель. | 2002 Октябрь. | 2006 июль. | 2008 сент. |
| Конец | 2001 июль. | 2005 Октябрь. | 2008 сент. | 2018 июнь. | |
| Количество ФЭУ | ИДЕНТИФИКАТОР | 11146 (40%) | 5182 (19%) | 11129 (40%) | 11129 (40%) |
| ИЗ | 1885 | ||||
| Противоимплозивный контейнер | Нет | Да | Да | Да | |
| сегментация ОД | Нет | Нет | Да | Да | |
| Передняя электроника | Банкомат (ID) | QBEE | |||
| ОД ККТ (ОД) | |||||
Модернизация СК-IV [ править ]
На предыдущих этапах ID-PMT обрабатывали сигналы с помощью специальных электронных модулей, называемых аналоговыми модулями синхронизации (ATM). В этих модулях содержатся зарядо-аналоговые преобразователи (QAC) и время-аналоговые преобразователи (TAC), которые имели динамический диапазон от 0 до 450 пикокулонов (пКл) с разрешением 0,2 пКл по заряду и от −300 до 1000 нс при Разрешение 0,4 нс по времени. Для каждого входного сигнала ФЭУ имелось две пары QAC/TAC, что предотвращало мертвое время и позволяло считывать множественные последовательные попадания, которые могут возникнуть, например, от электронов, которые являются продуктами распада останавливающихся мюонов. [16]
Система SK была модернизирована в сентябре 2008 года, чтобы сохранить стабильность в следующем десятилетии и повысить пропускную способность систем сбора данных, электроники на базе QTC с Ethernet (QBEE). [17] QBEE обеспечивает высокоскоростную обработку сигналов путем объединения конвейерных компонентов. Эти компоненты представляют собой недавно разработанный специальный преобразователь заряд-время (QTC) в форме специализированной интегральной схемы (ASIC), многоходовой преобразователь время-цифра (TDC) и программируемую пользователем вентильную матрицу. (ПЛИС). [18] Каждый вход QTC имеет три диапазона усиления: «Маленький», «Средний» и «Большой» — разрешения для каждого показаны в таблице. [16]
| Диапазон | Область измерения | Разрешение |
|---|---|---|
| Маленький | 0–51 шт. | 0,1 шт/шт (0,04 шт/шт) |
| Середина | 0–357 ПК | 0,7 ПК/отсчет (0,26 ПЭ/отсчет) |
| Большой | 0–2500 ПК | 4,9 шт./шт. (1,8 шт./шт.) |
Для каждого диапазона аналого-цифровое преобразование проводится отдельно, но используется только диапазон с самым высоким разрешением, не насыщающийся. Общий динамический диапазон заряда QTC составляет 0,2–2500 пКл, что в пять раз больше, чем у старого. Зарядовое и временное разрешение QBEE на уровне одного фотоэлектрона составляет 0,1 фотоэлектрона и 0,3 нс соответственно, оба лучше, чем собственное разрешение 20-дюймового прибора. ФЭУ, используемые в СК. QBEE обеспечивает хорошую линейность заряда в широком динамическом диапазоне. Интегрированная линейность заряда электроники лучше 1%. Пороги дискриминаторов в QTC установлены равными -0,69 мВ (что эквивалентно 0,25 фотоэлектрона, что такое же, как и для SK-III). Этот порог был выбран, чтобы воспроизвести поведение детектора на предыдущих этапах работы на основе ATM. [16]
СуперКГд [ править ]
Гадолиний был введен в резервуар с водой Супер-Камиоканде в 2020 году, чтобы отличать нейтрино от антинейтрино, возникающих в результате взрывов сверхновых. [15] [19] Это известно как проект SK-Gd (другие названия включают SuperKGd , SUPERK-GD и подобные названия). [20] На первом этапе проекта 1,3 тонны соли Gd (октагидрат сульфата гадолиния, Gd(SO 4 ) 3 ⋅(H 2 O) 8 ) добавляли в сверхчистую воду в 2020 году, что дало 0,02% (по массе) соли. Эта сумма составляет примерно десятую часть запланированной конечной целевой концентрации. [15] [19]
Ядерный синтез на Солнце и других звездах превращает протоны в нейтроны с испусканием нейтрино. Бета-распад на Земле и в сверхновых превращает нейтроны в протоны с испусканием антинейтрино. Супер-Камиоканде обнаруживает электроны, оторванные от молекулы воды, вызывая вспышку синего черенковского света, и они производятся как нейтрино, так и антинейтрино. Более редкий случай — когда антинейтрино взаимодействует с протоном в воде с образованием нейтрона и позитрона. [21]
Гадолиний имеет сродство к нейтронам и производит яркую вспышку гамма-лучей, когда поглощает их. Добавление гадолиния к Супер-Камиоканде позволяет ему различать нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино производят двойную вспышку света с интервалом примерно в 30 микросекунд: первая, когда нейтрино сталкивается с протоном, и вторая, когда гадолиний поглощает нейтрон. [19] Яркость первой вспышки позволяет физикам различать антинейтрино низкой энергии от Земли и антинейтрино высокой энергии от сверхновых. В дополнение к наблюдению нейтрино от далеких сверхновых, Супер-Камиоканде сможет подать сигнал тревоги, чтобы проинформировать астрономов всего мира о присутствии сверхновой в Млечном Пути в течение одной секунды после ее возникновения.
Самая большая проблема заключалась в том, можно ли непрерывно фильтровать воду в детекторе для удаления примесей, не удаляя при этом гадолиний. 200-тонный прототип под названием EGADS с добавлением сульфата гадолиния был установлен на руднике Камиока и проработал несколько лет. Он завершил работу в 2018 году и показал, что новая система очистки воды будет удалять примеси, сохраняя при этом стабильную концентрацию гадолиния. Исследование также показало, что сульфат гадолиния не будет существенно ухудшать прозрачность сверхчистой воды и не вызывать коррозию или отложения на существующем оборудовании или на новых клапанах, которые позже будут установлены в Гипер-Камиоканде . [20] [21]
Резервуар для воды [ править ]
Внешняя оболочка резервуара для воды представляет собой цилиндрический резервуар из нержавеющей стали диаметром 39 м и высотой 42 м. Резервуар является самонесущим, а стены из грубо отесанного камня залиты бетоном для противодействия давлению воды при наполнении резервуара. Вместимость резервуара превышает 50 килотонн воды. [11]
и структура ассоциированная ГУП
Базовым блоком ID PMT является «супермодуль», каркас, который поддерживает массив PMT 3×4. Каркасы супермодуля имеют высоту 2,1 м, ширину 2,8 м и толщину 0,55 м. Эти рамы соединены друг с другом как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Затем вся опорная конструкция соединяется с нижней частью резервуара и с верхней конструкцией. Супермодули не только выполняли функцию жестких конструктивных элементов, но и упрощали первоначальную сборку ИД. Каждый супермодуль собирался на полу резервуара, а затем поднимался в окончательное положение. Таким образом, идентификатор фактически состоит из супермодулей. Во время установки ID ФЭУ были предварительно собраны по три штуки для облегчения установки. Каждый супермодуль имеет два ФЭУ OD, прикрепленных к его задней стороне. Опорная конструкция для нижних ФЭУ крепится к днищу резервуара из нержавеющей стали с помощью одной вертикальной балки на каждую раму супермодуля. Опорная конструкция верхней части резервуара также используется в качестве опорной конструкции для верхних ПМТ.
Кабели из каждой группы из трех ФЭУ объединены в пучок. Все кабели проходят по внешней поверхности опорной конструкции ФЭУ, т. е. по внешней поверхности ФЭУ, проходят через кабельные отверстия в верхней части резервуара и затем прокладываются в отсеки для электроники.
Толщина ОД варьируется незначительно, но в среднем составляет около 2,6 м сверху и снизу и 2,7 м по стенке ствола, что дает общую массу ОД 18 килотонн. ФЭУ OD были распределены по 302 на верхнем слое, 308 на нижнем и 1275 на стенке ствола.
Для защиты от низкоэнергетического фонового излучения продуктов распада радона в воздухе свод полости и ходовые туннели были герметизированы покрытием под названием Mineguard. Mineguard — это полиуретановая мембрана, наносимая распылением, разработанная для использования в качестве системы поддержки горных пород и барьера для газа радона в горнодобывающей промышленности. [11]
Среднее геомагнитное поле составляет около 450 мГс и наклонено примерно на 45° относительно горизонта в месте установки детектора. Это представляет проблему для больших и очень чувствительных ФЭУ, которые предпочитают гораздо более низкое внешнее поле. Сила и однородное направление геомагнитного поля могут систематически искажать траектории и время фотоэлектронов в ФЭУ. Чтобы противодействовать этому, вокруг внутренних поверхностей резервуара расположены 26 комплектов горизонтальных и вертикальных катушек Гельмгольца. При их работе среднее поле в детекторе снижается примерно до 50 мГс. Магнитное поле в различных местах ФЭУ измерялось до того, как резервуар был наполнен водой. [11]
Стандартный контрольный объем, составляющий примерно 22,5 килотонны, определяется как область внутри поверхности, проведенная на расстоянии 2,00 м от внутренней стены, чтобы минимизировать аномальную реакцию, вызванную естественной радиоактивностью в окружающей породе.
Система мониторинга [ править ]
Система онлайн-мониторинга [ править ]
Компьютер онлайн-монитора, расположенный в диспетчерской, считывает данные с главного компьютера сбора данных через канал FDDI. Оно предоставляет операторам смен гибкий инструмент для выбора функций отображения событий, создает онлайн-гистограммы и гистограммы недавней истории для мониторинга производительности детектора, а также выполняет множество дополнительных задач, необходимых для эффективного мониторинга состояния и диагностики проблем детектора и сбора данных. События в потоке данных можно отсекать, а инструменты элементарного анализа можно применять для проверки качества данных во время калибровок или после изменений в аппаратном обеспечении или онлайн-программном обеспечении. [11]
Монитор сверхновых времени в реальном
Для максимально эффективного и оперативного обнаружения и идентификации таких вспышек Супер-Камиоканде оснащен системой онлайн-мониторинга сверхновых. Всего в Супер-Камиоканде ожидается около 10 000 событий, связанных со взрывом сверхновой в центре Галактики Млечный Путь. Super-Kamiokande может измерять всплеск без мертвого времени, до 30 000 событий в течение первой секунды всплеска. Теоретические расчеты взрывов сверхновых предполагают, что нейтрино испускаются в течение десятков секунд, причем около половины из них испускаются в течение первых одной или двух секунд. Super-K будет искать кластеры событий в заданных временных окнах 0,5, 2 и 10 с. [11] Данные передаются в процесс анализа SN-watch в режиме реального времени каждые 2 минуты, а анализ обычно завершается за 1 минуту. Когда будут найдены кандидаты на событие сверхновой (SN), рассчитывается, если кратность событий больше 16, где определяется как среднее пространственное расстояние между событиями, т.е.
Нейтрино сверхновых взаимодействуют со свободными протонами, образуя позитроны, которые распределяются в детекторе настолько равномерно, что для событий СН должна быть существенно больше, чем для обычных пространственных кластеров событий. В детекторе Супер-Камиоканде Rmean для равномерно распределенных событий Монте-Карло показывает, что ниже хвоста не существует. ⩽1000 см. Для пакета класса «тревога» события должны иметь ⩾900 см на 25⩽ ⩽40 или ⩾750 см для >40. Эти пороги были определены путем экстраполяции данных SN1987A. [11] [22] Система запустит специальные процессы для проверки наличия расщепленных мюонов, когда кандидаты на взрывы соответствуют критериям «тревоги», и примет первичное решение для дальнейшего процесса. Если кандидат на пакетный анализ пройдет эти проверки, данные будут повторно проанализированы в автономном режиме, и окончательное решение будет принято в течение нескольких часов. Во время забега Супер-Камиоканде I такого никогда не происходило.Одной из важных возможностей [Супер-Камиоканде] является восстановление направления сверхновой. Путем нейтрино-электронного рассеяния Всего в случае вспышки сверхновой в центре Галактики Млечный Путь ожидается 100–150 событий. [11] Направление сверхновой можно измерить с угловым разрешением.
где N — число событий, вызванных ν–e-рассеянием. Таким образом, угловое разрешение может достигать δθ ~ 3° для сверхновой в центре Галактики Млечный Путь. [11] В этом случае можно получить не только временной профиль и энергетический спектр нейтринной вспышки, но и информацию о направлении сверхновой.
Монитор медленного управления и автономный монитор процесса [ править ]
Существует процесс, называемый монитором «медленного контроля», который является частью системы онлайн-мониторинга и отслеживает состояние высоковольтных систем, температуру ящиков с электроникой и состояние компенсационных катушек, используемых для подавления геомагнитного поля. При обнаружении любого отклонения от норм он предупредит физиков и предложит провести расследование, принять соответствующие меры или уведомить экспертов. [11]
Для мониторинга и управления автономными процессами анализа и передачи данных был разработан сложный комплекс программного обеспечения. Этот монитор позволяет неспециалистам по сменной физике выявлять и устранять распространенные проблемы, чтобы минимизировать время простоя, а пакет программного обеспечения внес значительный вклад в бесперебойное проведение эксперимента и его общую высокую эффективность в течение всего срока службы при сборе данных. [11]
Исследования [ править ]
Солнечное нейтрино [ править ]
Энергия Солнца возникает в результате ядерного синтеза в его ядре, где атом гелия и электронное нейтрино генерируются четырьмя протонами. Эти нейтрино, испускаемые в результате этой реакции, называются солнечными нейтрино. Фотонам, созданным в результате ядерного синтеза в центре Солнца, требуются миллионы лет, чтобы достичь поверхности; с другой стороны, солнечные нейтрино достигают Земли за восемь минут из-за отсутствия взаимодействия с веществом. Следовательно, солнечные нейтрино позволяют нам наблюдать внутреннее Солнце в «реальном времени», что для видимого света занимает миллионы лет. [23]
В 1999 году Супер-Камиоканде обнаружил убедительные доказательства нейтринных осцилляций, которые успешно объяснили проблему солнечных нейтрино . Солнце и около 80% видимых звезд производят свою энергию путем преобразования водорода в гелий посредством
МэВ
Следовательно, источником нейтрино являются звезды, в том числе и Солнце . Эти нейтрино в основном проходят через цепочку pp в меньших массах, а для более холодных звезд - в первую очередь через цикл CNO более тяжелых масс.
В начале 1990-х годов, особенно с учетом неопределенностей, которые сопровождали первоначальные результаты экспериментов Камиока II и Ga, ни один отдельный эксперимент не требовал неастрофизического решения проблемы солнечных нейтрино. Но в совокупности эксперименты Cl, Kamioka II и Ga показали картину потоков нейтрино, несовместимую с какой-либо корректировкой SSM. Это, в свою очередь, помогло создать новое поколение чрезвычайно эффективных активных детекторов. Эти эксперименты — Супер-Камиоканде, Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) и Борексино . Супер-Камиоканде удалось обнаружить явления упругого рассеяния (ES).
что из-за вклада заряженного тока в рассеяние, имеет относительную чувствительность к s и нейтрино с тяжелым ароматом ~7:1. [24] Поскольку направление электрона отдачи ограничено очень прямым, направление нейтрино сохраняется в направлении электронов отдачи. Здесь, предоставляется там, где - угол между направлением электронов отдачи и положением Солнца. Это показывает, что Поток солнечных нейтрино можно рассчитать как . По сравнению с SSM соотношение . [25] Результат ясно указывает на дефицит солнечных нейтрино.
Атмосферное нейтрино [ править ]
Атмосферные нейтрино — вторичные космические лучи, образующиеся в результате распада частиц в результате взаимодействия первичных космических лучей (главным образом протонов ) с атмосферой Земли . Наблюдаемые события атмосферных нейтрино делятся на четыре категории. Все дорожки полностью сдерживаемых событий (FC) находятся во внутреннем детекторе, тогда как частично сдерживаемые события (PC) имеют следы, выходящие из внутреннего детектора. Проходящие вверх мюоны (UTM) образуются в породе под детектором и проходят через внутренний детектор. Мюоны, останавливающиеся вверх (USM), также образуются в породе под детектором, но останавливаются во внутреннем детекторе.
Число наблюдаемых нейтрино предсказывается равномерно независимо от зенитного угла. Однако Супер-Камиоканде обнаружил, что количество мюонных нейтрино, идущих вверх (сгенерированных на другой стороне Земли), составляет половину числа мюонных нейтрино, идущих вниз, в 1998 году. Это можно объяснить тем, что нейтрино меняются или колеблются в какие-то другие. нейтрино, которые не обнаруживаются. Это называется нейтринной осцилляцией ; это открытие указывает на конечную массу нейтрино и предполагает расширение Стандартной модели. Нейтрино колеблются в трех вариантах, и все нейтрино имеют массу покоя. Более поздний анализ, проведенный в 2004 году, показал синусоидальную зависимость частоты событий как функцию «Длина / Энергия», что подтвердило нейтринные колебания. [26]
Эксперимент K2K [ править ]
Эксперимент K2K представлял собой нейтринный эксперимент, проводившийся с июня 1999 по ноябрь 2004 года. Этот эксперимент был разработан для проверки колебаний, наблюдаемых Супер-Камиоканде через мюонные нейтрино . Это дает первое положительное измерение осцилляций нейтрино в условиях, когда и источник, и детектор находятся под контролем. Детектор Супер-Камиоканде играет важную роль в эксперименте как дальний детектор. Позже эксперимент T2K продолжился как продолжение эксперимента K2K второго поколения .
T2K Эксперимент [ править ]
Эксперимент T2K (Токай-Камиока) — это нейтринный эксперимент, в котором сотрудничают несколько стран, включая Японию , США и другие. Цель T2K – получить более глубокое понимание параметров нейтринных осцилляций . T2K провела поиск осцилляций от мюонных нейтрино до электронных нейтрино и объявила о первых экспериментальных признаках их существования в июне 2011 года. [27] Детектор Супер-Камиоканде играет роль «дальнего детектора». Детектор Супер-К будет регистрировать черенковское излучение мюонов и электронов, создаваемое взаимодействием нейтрино высоких энергий с водой.
Распад протона [ править ]
протон считается абсолютно стабильным В Стандартной модели . Однако Теории Великого Объединения (GUT) предсказывают, что протоны могут распадаться на более легкие заряженные частицы, такие как электроны, мюоны, пионы и другие, которые можно наблюдать. Камиоканде помогает исключить некоторые из этих теорий. Супер-Камиоканде в настоящее время является крупнейшим детектором для наблюдения за распадом протона. [28]
Очищение [ править ]
Система очистки воды [ править ]
С начала 2002 года 50 килотонн чистой воды постоянно перерабатываются со скоростью около 30 тонн/час в закрытой системе. дорогие расходные материалы, навязываются. Первоначально вода из резервуара Супер-Камиоканде пропускается через сетчатые фильтры номиналом 1 мкм для удаления пыли и частиц, которые снижают прозрачность воды для черенковских фотонов и обеспечивают возможный источник радона внутри детектора Супер-Камиоканде. Теплообменник используется для охлаждения воды с целью снижения уровня темнового шума ФЭУ, а также подавления роста бактерий . Выжившие бактерии уничтожаются на этапе УФ-стерилизации. Картриджный полировщик (CP) удаляет тяжелые ионы, которые также снижают прозрачность воды и содержат радиоактивные вещества. Модуль CP увеличивает типовое удельное сопротивление оборотной воды с 11 МОм·см до 18,24 МОм·см, приближаясь к химическому пределу. [11] Первоначально в систему был включен ионообменник (ИЭ), но его удалили, когда выяснилось, что смола ИЭ является значительным источником радона. В 1999 году были установлены этап обратного осмоса (RO), который удаляет дополнительные частицы, и введение в воду воздуха с пониженным содержанием Rn, что увеличивает эффективность удаления радона на следующем этапе вакуумной дегазации (VD). После этого этап VD удаляет растворенные частицы. газы в воде. Эти растворенные в воде газы являются серьезным фоновым источником солнечных нейтрино в диапазоне энергий МэВ, а растворенный кислород способствует росту бактерий. Эффективность удаления составляет около 96%. Затем вводится ультрафильтр (УФ) для удаления частиц, минимальный размер которых соответствует молекулярной массе примерно 10 000 (или диаметр около 10 нм), благодаря половолоконным мембранным фильтрам. Наконец, мембранный дегазатор (МД) удаляет растворенный в воде радон, и измеренная эффективность удаления радона составляет около 83%. Концентрация газов радона миниатюризируется детекторами реального времени. В июне 2001 года типичные концентрации радона в воде, поступающей в систему очистки из резервуара Супер-Камиоканде, составляли менее 2 мБк м. −3 , а по водоотдаче системой - 0,4±0,2 мБк·м. −3 . [11]
Система очистки воздуха [ править ]
Очищенный воздух подается в зазор между поверхностью воды и верхом резервуара Супер-Камиоканде. Система очистки воздуха содержит три компрессора, буферную емкость, осушители, фильтры и с активированным углем фильтры . Всего 8 м. 3 используется активированный уголь. Последние 50 л древесного угля охлаждаются до −40 °C, чтобы повысить эффективность удаления радона. Типичные расходы, точка росы и остаточная концентрация радона составляют 18 м. 3 /ч, −65 °C (@+1 кг/см 2 ), и несколько мБк·м −3 , соответственно. Типичная концентрация радона в воздухе купола составляет 40 Бк м. −3 . Уровни радона в воздухе шахтной выработки вблизи купола полости резервуара обычно достигают 2000–3000 Бк·м. −3 в теплое время года, с мая по октябрь, а с ноября по апрель уровень радона составляет примерно 100–300 Бк м. −3 . Это изменение связано с эффектом дымохода в схеме вентиляции системы туннелей шахты; В холодное время года свежий воздух поступает во вход в туннель Атоцу, который представляет собой относительно короткий путь через открытые скалы до достижения экспериментальной зоны, а летом воздух выходит из туннеля, вытягивая богатый радоном воздух из глубины шахты мимо экспериментальная зона. [11]
Для поддержания уровня радона в зоне купола и системы очистки воды ниже 100 Бкм. −3 , свежий воздух постоянно подается на расстоянии примерно 10 м. 3 /мин снаружи шахты, что создает небольшое избыточное давление на экспериментальной площадке Супер-Камиоканде, чтобы свести к минимуму попадание окружающего воздуха из шахты. Рядом со входом в туннель Атоцу была построена «Радоновая хижина» (Rn Hut), в которой разместилось оборудование купольной воздушной системы: воздушный насос мощностью 40 л.с. 3 мин −1 Производительность насоса /15 фунтов на квадратный дюйм, осушитель воздуха, резервуары угольного фильтра и управляющая электроника. Осенью 1997 года удлиненная воздухозаборная труба была установлена примерно в 25 м над входом в туннель Атоцу. Этот низкий уровень удовлетворяет требованиям по качеству воздуха, поэтому операции регенерации угольного фильтра больше не требуются. [11]
Обработка данных [ править ]
Офлайн-обработка данных производится как в Камиоке, так и в США.
В Камиоке [ править ]
Автономная система обработки данных расположена в Кенкюто и соединена с детектором Супер-Камиоканде оптоволоконной линией FDDI длиной 4 км. Поток данных из онлайн-системы составляет 450 кбайт/с. −1 в среднем соответствует 40 Гбайт в день −1 или 14 Тбайт в год −1 . Магнитные ленты используются в автономной системе для хранения данных, и здесь выполняется большая часть анализа. Система автономной обработки разработана независимо от платформы, поскольку для анализа данных используются разные компьютерные архитектуры. По этой причине структуры данных основаны на банковской системе ZEBRA, разработанной в CERN, а также на системе обмена ZEBRA. [11]
Данные о событиях из онлайн-системы сбора данных Super-Kamiokande в основном содержат список количества попаданий PMT, счетчиков TDC и ADC, временные метки GPS и другие служебные данные. Для анализа солнечных нейтрино снижение энергетического порога является постоянной целью, поэтому это постоянные усилия по повышению эффективности алгоритмов сокращения; однако изменения в калибровках или методах сокращения требуют повторной обработки более ранних данных. Обычно каждый месяц обрабатывается 10 ТБ необработанных данных, что обеспечивает большой объем мощности ЦП и высокоскоростной доступ к необработанным данным. Кроме того, методом Монте-Карло . также необходима обширная обработка моделирования [11]
Автономная система была разработана для удовлетворения всех этих требований: ленточное хранение большой базы данных (14 Тбайт в год), стабильная обработка в полуреальном времени, почти непрерывная повторная обработка и моделирование Монте-Карло. Компьютерная система состоит из трех основных подсистем: сервера данных, фермы ЦП и сети в конце запуска I. [11]
В США [ править ]
в Стоуни-Брук, штат Нью-Йорк , была создана система, предназначенная для автономной обработки данных, предназначенная В Университете Стоуни-Брук для обработки необработанных данных, отправленных из Камиоки. Большая часть переформатированных необработанных данных копируется из системного объекта в Камиоке. В Стоуни-Брук была установлена система для анализа и дальнейшей обработки. В Стоуни-Бруке необработанные данные обрабатывались с помощью многоленточного накопителя DLT. Процессы обработки данных на первом этапе были выполнены для анализа высоких энергий и анализа низких энергий. Обработка данных для анализа высоких энергий в основном касалась событий атмосферных нейтрино и поиска распада протонов, тогда как анализ низких энергий в основном касался событий солнечных нейтрино. Сокращенные данные для анализа высоких энергий были дополнительно отфильтрованы с помощью других процессов восстановления, и полученные данные были сохранены на дисках. Уменьшенные данные для низкой энергии были сохранены на лентах DLT и отправлены в Калифорнийский университет в Ирвайне для дальнейшей обработки.
Эта система анализа смещений продолжалась три года, пока не было доказано, что их цепочки анализа дают эквивалентные результаты. Таким образом, чтобы ограничить рабочую силу, сотрудничество было сосредоточено на одном комбинированном анализе. [29]
Результаты [ править ]
В 1998 году Super-K обнаружил первые убедительные доказательства нейтринных осцилляций , наблюдая за мюонными нейтрино, превратившимися в тау-нейтрино. [30]
SK установил ограничения на время жизни протонов и другие редкие распада, а также свойства нейтрино. SK установил нижнюю границу распада протонов на каоны 5,9 × 10. 33 тот [31]
В январе 2023 года на основе данных, собранных в период 1996–2018 годов, Супер-Камиоканде сообщил о новых пределах для темной материи с энергией менее ГэВ, исключая сечение упругого рассеяния темной материи на нуклонах между и с массами из к . [4] [5]
В популярной культуре [ править ]
Супер-Камиоканде является предметом фотографии Андреаса Гурски 2007 года «Камиоканде». [32] и был показан в эпизоде сериала « Космос: Пространственно-временная одиссея» . [33]
В сентябре 2018 года детектор был опорожнен на техническое обслуживание, что дало команде репортеров Австралийской радиовещательной корпорации возможность получить видео с разрешением 4K из резервуара детектора. [34]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ С. Фукуда; и др. (Апрель 2003 г.), «Детектор Супер-Камиоканде», Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях A , 501 (2–3): 418–462, Бибкод : 2003NIMPA.501..418F , doi : 10.1016/S0168-9002( 03)00425-Х
- ^ «Институты сотрудничества» . Официальный сайт Super-Kamiokande (на японском языке) . Проверено 28 февраля 2024 г.
- ^ «Обзор Супер-Камиоканде» . Официальная домашняя страница Супер-Камиоканде (на японском языке) . Проверено 28 февраля 2024 г. .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Физики углубились в поиски темной материи» . Научный американец .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Детектор Супер-Камиоканде ожидает нейтрино от сверхновой» .
- ^ страница — Обсерватория Камиока, ICRR, Токийский университет» . www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp « Верхняя
- ^ «Дом физики» . www.phys.washington.edu . Архивировано из оригинала 30 января 2004 года . Проверено 20 ноября 2001 г.
- ^ «Фотогалерея Супер-Камиоканде» . www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp .
- ^ «Официальный отчет об аварии (в формате PDF)» (PDF) . u-tokyo.ac.jp .
- ^ «Запись в журнале о первых нейтрино, замеченных на Супер-К, генерируемых на КЕК» . сайт симметрии .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р С. Фукуда; и др. (1 апреля 2003 г.), «Детектор Супер-Камиоканде», Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях A , 51 (2–3): 418–462, Бибкод : 2003NIMPA.501..418F , doi : 10.1016/S0168-9002 (03)00425-Х
- ^ Фукуда, Ю.; и др. (1998). «Доказательства колебаний атмосферных нейтрино». Письма о физических отзывах . 81 (8): 1562–1567. arXiv : hep-ex/9807003 . Бибкод : 1998PhRvL..81.1562F . дои : 10.1103/PhysRevLett.81.1562 . S2CID 7102535 .
- ^ «Аварийный полигон нейтринной лаборатории» . Physicsworld.com . 15 ноября 2001 г.
- ^ «Охота на нейтрино возобновляется, новая уверенность ИТЭР и беды Эльзевира» . Природа . 566 (7742): 12–13. 2019. Бибкод : 2019Natur.566...12. . дои : 10.1038/d41586-019-00440-2 . ПМИД 30728526 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Абэ, К.; Броннер, К.; Хаято; и др. (2022). «Первая погрузка гадолиния в Супер-Камиоканде». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 1027 : 166248. arXiv : 2109.00360 . Бибкод : 2022NIMPA102766248A . дои : 10.1016/j.nima.2021.166248 . ISSN 0168-9002 . S2CID 237372721 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д К. Абэ; и др. (11 февраля 2014 г.), «Калибровка детектора Супер-Камиоканде», Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях A , 737 : 253–272, arXiv : 1307.0162 , Bibcode : 2014NIMPA.737..253A , doi : 10.1016/j. Нима.2013.11.081 , S2CID 18008496
- ^ Ямада, С.; Авай, К.; Хаято, Ю.; Канеюки, К.; Коузума, Ю.; Накаяма, С.; Нисино, Х.; Окумура, К.; Обаяши, Ю.; Симидзу, Ю.; Сиодзава, М.; Такеда, А.; Хэн, Ю.; Ян, Б.; Чен, С.; Танака, Т.; Ёкодзава, Т.; Косио, Ю.; Морияма, С.; Арай, Ю.; Исикава, К.; Минегиши, А.; Учида, Т. (2010). «Ввод в эксплуатацию новой электроники и онлайн-системы для эксперимента Супер-Камиоканде». Транзакции IEEE по ядерной науке . 57 (2): 428–432. Бибкод : 2010ИТНС...57..428Y . дои : 10.1109/TNS.2009.2034854 . S2CID 5714133 .
- ^ Х. Нишино; и др. (2009), «Высокоскоростной преобразователь заряда во время ASIC для детектора Супер-Камиоканде», Nuclear Instruments and Methods in Physical Research A , 610 (3): 710–717, arXiv : 0911.0986 , Bibcode : 2009NIMPA.610 ..710N , doi : 10.1016/j.nima.2009.09.026 , S2CID 110431759
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Штюрмер, корреспондент по Северной Азии Джейк; Асада, Юми; Спраггон, Бен; Гурли, Колин (17 июня 2019 г.). «Как поймать что-то меньшее атома, путешествующее по галактикам?» . Новости АВС . Проверено 25 июня 2019 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Сюй, Чэньюань (2016). «Текущее состояние проекта СК-Гд и EGADS» . Физический журнал: серия конференций . 718 (6): 062070. Бибкод : 2016JPhCS.718f2070X . дои : 10.1088/1742-6596/718/6/062070 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Кастельвекки, Давиде (27 февраля 2019 г.). «Гигантский японский детектор готовится поймать нейтрино сверхновых» . Природа . 566 (7745): 438–439. Бибкод : 2019Natur.566..438C . дои : 10.1038/d41586-019-00598-9 . ПМИД 30814722 .
- ^ Хирата, К; и др. (6 апреля 1987 г.), «Наблюдение нейтринной вспышки сверхновой SN1987A», Physical Review Letters , 58 (14): 1490–1493, Бибкод : 1987PhRvL..58.1490H , doi : 10.1103/PhysRevLett.58.1490 , PMID 10034 450
- ^ «Официальная домашняя страница Супер-Камиоканде» . www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp .
- ^ А.Б. Балантекин; и др. (Июль 2013 г.), «Нейтринные осцилляции», Progress in Particle and Nuclear Physics , 71 : 150–161, arXiv : 1303.2272 , Bibcode : 2013PrPNP..71..150B , doi : 10.1016/j.ppnp.2013.03.007 , S2CID 119185073
- ^ Дж. Н. Бахколл; С. Басу; М. Х. Пинсонно (1998), «Насколько неточны предсказания солнечных нейтрино?», Physics Letters B , 433 (1–2): 1–8, arXiv : astro-ph/9805135 , Bibcode : 1998PhLB..433....1B , doi : 10.1016/S0370-2693(98)00657-1 , S2CID 119078800
- ^ «Официальная домашняя страница Супер-Камиоканде» . www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp .
- ^ Комитет, общедоступный веб-сайт T2K. «Эксперимент Т2К» . t2k-experiment.org .
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Мой, Шуничи (2023). «Распад нуклона: теория и экспериментальный обзор». Зенодо . дои : 10.5281/zenodo.10493165 .
- ^ С. Фукуда; и др. (1 апреля 2003 г.), «Детектор Супер-Камиоканде», Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях A , 501 (2–3): 418–462, Бибкод : 2003NIMPA.501..418F , doi : 10.1016/S0168-9002 (03)00425-Х
- ^ Кернс; Каджита; Тоцука (август 1999 г.), «Обнаружение массивных нейтрино», Scientific American , 281 (2): 64, Бибкод : 1999SciAm.281b..64K , номер документа : 10.1038/scientificamerican0899-64.
- ^ Абэ, К.; Хаято, Ю.; Йоги, К.; Камеда, Дж.; Миура, М.; Морияма, С.; Накахата, М.; Накаяма, С.; Венделл, Р.А.; Секия, Х.; Сиодзава, М.; Сузуки, Ю.; Такеда, А.; Такенага, Ю.; Уэно, К.; Ёкодзава, Т.; Кадзи, Х.; Каджита, Т.; Канеюки, К.; Ли, КП; Окумура, К.; Маклахлан, Т.; Лабарга, Л.; Кернс, Э.; Рааф, Дж.Л.; Стоун, Дж.Л.; Сулак, Л.Р.; Гольдхабер, М.; Бэйс, К.; и др. (14 октября 2014 г.). «Поиск распада протона через p → νKþ с использованием данных Супер-Камиоканде за 260 килотонн · год». Физический обзорD . 90 (7): 072005. arXiv : 1408.1195 . Бибкод : 2014arXiv1408.1195T . doi : 10.1103/PhysRevD.90.072005 . S2CID 18477457 .
- ^ «Май 2007 г., выпуск WM № 3: АНДРЕАС ГУРСКИ @ ГАЛЕРЕЯ МЭТЬЮ МАРКСА» . whitehotmagazine.com .
- ^ Превью 6-й серии « Космоса»: Нил Деграсс Тайсон исследует древние в «Глубже, еще глубже » . ibtimes.com . 13 апреля 2014 года . Проверено 4 мая 2020 г.
- ^ Предыстория: Раз в десять лет есть шанс снять видео в обсерватории Супер-Камиоканде, и у вас есть один час , Джейк Стермер , ABC News Online , 25 сентября 2018 г.
