Kamioka обсерватория , Институт космических лучей исследований (神岡宇宙素粒子研究施設, Kamioka Uchu Soryūshi Kenkyu Shisetsu , Японский произношение: [Kamioka ɯtɕɯː soɾʲɯꜜːɕi keŋkʲɯː ɕiseꜜtsɯ] ) является нейтрино и гравитационных волн лаборатория находится под землей в Mozumi шахте в Камиока Горно-металлургическая компания недалеко от района Камиока города Хида в префектуре Гифу , Япония. За последние два десятилетия в обсерватории был проведен ряд революционных нейтринных экспериментов . Все эксперименты были очень масштабными и внесли существенный вклад в развитие физики элементарных частиц , в частности, в изучение нейтринной астрономии и осцилляций нейтрино .
Шахта [ править ]
Рудник Мозуми - один из двух соседних рудников, принадлежащих Kamioka Mining and Smelting Co. (дочерняя компания Mitsui Mining and Smelting Co. Mitsui Kinzoku ). [1] : 1 Шахта известна как место одного из крупнейших массовых отравлений в истории Японии . С 1910 по 1945 годы операторы шахты сбрасывали кадмий из перерабатывающей фабрики в местную воду. Этот кадмий вызвал то, что местные жители называли болезнью итай-итай . Заболевание вызвало ослабление костей и сильную боль.
Несмотря на то, что горные работы прекратились, плавильный завод продолжает перерабатывать цинк , свинец и серебро из других рудников и вторично. [1] : 2,6–7
В то время как все текущие эксперименты проводятся на северной шахте Мозуми, шахта Точибора в 10 км к югу [2] : 9 также доступна. Он не такой глубокий, но имеет более прочную породу [1] : 22,24,26 и является местом, где планируется построить очень большие пещеры Гипер-Камиоканде. [2] [3] : 19
Прошлые эксперименты [ править ]
KamiokaNDE [ править ]
Первый из экспериментов Камиока был назван KamiokaNDE от имени Kamioka Nucleon Decay Experiment . Это был большой водяной детектор Черенкова, предназначенный для поиска распада протона . Чтобы наблюдать распад частицы со временем жизни, равным протону, эксперимент должен длиться долго и наблюдать огромное количество протонов. Это можно сделать наиболее рентабельно, если мишень (источник протонов) и сам детектор будут изготовлены из одного и того же материала. Вода - идеальный кандидат, потому что она недорога, легко очищается, стабильна и может обнаруживать релятивистские заряженные частицы благодаря их образованию.Черенкова . Детектор распада протона должен быть похоронен глубоко под землей или в горе, потому что фон от мюонов космических лучей в таком большом детекторе, расположенном на поверхности Земли, был бы слишком большим. Скорость мюонов в эксперименте KamiokaNDE составляла около 0,4 события в секунду, что примерно на пять порядков меньше, чем было бы, если бы детектор располагался на поверхности. [4]
Четкий рисунок, создаваемый излучением Черенкова, позволяет идентифицировать частицы , что является важным инструментом как для понимания потенциального сигнала распада протона, так и для отклонения фона. ID возможен, потому что резкость края кольца зависит от частицы, излучающей излучение. Электроны (и, следовательно, гамма-лучи ) создают нечеткие кольца из-за многократного рассеяния электронов с малой массой. Напротив, минимальные ионизирующие мюоны создают очень острые кольца, поскольку их большая масса позволяет им распространяться напрямую.
Строительство подземной обсерватории Камиока (предшественницы нынешней обсерватории Камиока, Института исследования космических лучей, Токийский университет ) началось в 1982 году и было завершено в апреле 1983 года. Детектор представлял собой цилиндрический резервуар, в котором находилось 3000 тонн чистой воды. около 1000 фотоумножителей (ФЭУ) диаметром 50 см, прикрепленных к внутренней поверхности. Размер внешнего детектора составлял 16,0 м в высоту и 15,6 м в диаметре. Детектор не смог наблюдать распад протона, но установил лучший в то время предел времени жизни протона.
Камиоканде-I работал в 1983–1985 гг.
Камиоканде-II [ править ]
Kamiokande-II эксперимент является важным шагом вперед по сравнению с КамиокаНДЕ, и сделал значительное число важных наблюдений. Камиоканде-II работал в 1985–1990 гг.
Солнечные нейтрино [ править ]
В 1930-х годах Ганс Бете и Карл Фридрих фон Вайцзеккер выдвинули гипотезу о том, что источником солнечной энергии являются реакции синтеза в его ядре. Хотя эта гипотеза была широко принята на протяжении десятилетий, не было возможности наблюдать за ядром Солнца и напрямую проверить эту гипотезу . Эксперимент Хоумстейка Рэя Дэвиса был первым, кто обнаружил солнечные нейтрино , убедительным доказательством того, что ядерная теория Солнца верна. В течение десятилетий в эксперименте Дэвиса постоянно наблюдалось лишь около 1/3 количества нейтрино, предсказываемых Стандартными моделями Солнца его коллеги и близких.друг Джон Бэхколл . Из-за большой технической сложности эксперимента и его использования радиохимических методов, а не прямого обнаружения в реальном времени, многие физики с подозрением отнеслись к его результату.
Стало понятно, что большой водяной детектор Черенкова может быть идеальным детектором нейтрино по нескольким причинам. Во-первых, огромный объем, возможный в водяном детекторе Черенкова, может преодолеть проблему очень малого сечения солнечных нейтрино с энергией 5-15 МэВ . Во-вторых, водяные детекторы Черенкова позволяют обнаруживать события в реальном времени. Это означало, что отдельные события-кандидаты нейтрино- электронного взаимодействия можно было изучать на индивидуальной основе, что резко отличалось от ежемесячных наблюдений, необходимых в радиохимических экспериментах. В-третьих, при взаимодействии рассеяния нейтрино и электронов электрон отскакивает примерно в том направлении, в котором движется нейтрино (аналогично движению биллиарда).шары), поэтому электроны «указывают назад» на солнце. В-четвертых, рассеяние нейтрино на электронах - это упругий процесс, поэтому распределение нейтрино по энергиям можно изучать, дополнительно проверяя модель Солнца. В-пятых, характерное «кольцо», создаваемое излучением Черенкова, позволяет различать сигнал на фоне. Наконец, поскольку эксперимент Черенкова с водой будет использовать другую цель, процесс взаимодействия, детекторную технологию и местоположение, это будет очень дополняющая проверка результатов Дэвиса.
Было ясно, что KamiokaNDE можно использовать для проведения фантастического и нового эксперимента, но сначала нужно было решить серьезную проблему. Наличие радиоактивного фона в КамиокАНДЭ означало, что детектор имел энергетический порог в десятки МэВ . Сигналы, производимые распадом протона и взаимодействием с атмосферными нейтрино, значительно больше этого, поэтому исходному детектору KamiokaNDE не нужно было быть особенно агрессивным в отношении своего энергетического порога или разрешения . Проблема была решена двумя способами. Участники эксперимента KamiokaNDE спроектировали и построили новые системы очистки воды от радона.фон, и вместо того, чтобы постоянно включать в детектор "свежую" шахтную воду, они удерживали воду в резервуаре, позволяя радону распадаться. Группа из Университета Пенсильвании присоединилась к сотрудничеству и поставила новую электронику с превосходными временными характеристиками. Дополнительная информация, предоставляемая электроникой, еще больше улучшила способность отличать нейтринный сигнал от радиоактивного фона. Еще одним усовершенствованием было расширение полости и установка "внешнего детектора" с инструментами. Дополнительная вода обеспечивала защиту от гамма-лучей от окружающей породы , а внешний детектор давал вето для мюонов космических лучей. [4][5]
После завершения модернизации эксперимент был переименован в Камиоканде-II , и сбор данных начался в 1985 году. В течение нескольких лет эксперимент боролся с проблемой радона и начал сбор «производственных данных» в 1987 году. После того, как данные были собраны за 450 дней, эксперимент был завершен. способен увидеть явное увеличение количества событий, направленных от солнца в случайных направлениях. [4] Направляющей информацией был дымящийся пистолет.сигнатура солнечных нейтрино, впервые демонстрирующая, что Солнце является источником нейтрино. Эксперимент продолжал собирать данные в течение многих лет и в конечном итоге обнаружил, что поток солнечных нейтрино составляет примерно 1/2 от предсказываемого 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, предсказываемым солнечной теорией, и радиохимическими и водными детекторами Черенкова, стал известен как проблема солнечных нейтрино .
Атмосферные нейтрино [ править ]
Поток атмосферных нейтрино значительно меньше, чем поток солнечных нейтрино, но поскольку сечения реакции увеличиваются с увеличением энергии, их можно обнаружить в детекторе размером с Камиоканде-II. В эксперименте использовалось «соотношение отношений» для сравнения отношения нейтрино с ароматом электронов к мюонам с соотношением, предсказываемым теорией (этот метод используется, потому что многие систематические ошибки компенсируют друг друга). Это соотношение указывало на дефицит мюонных нейтрино, но детектор был недостаточно большим, чтобы получить статистику, необходимую для того, чтобы назвать результат открытием . Этот результат получил название дефицита атмосферных нейтрино .
Сверхновая 1987A [ править ]
Эксперимент Камиоканде-II проводился в особенно удачное время, так как сверхновая произошла, когда детектор был подключен к сети и собирал данные . После проведенных обновлений детектор стал достаточно чувствительным, чтобы наблюдать тепловые нейтрино, произведенные сверхновой звездой 1987A , которая произошла 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 [ править ]
Камиоканде-II продолжил поиски распада протона Камиоканде и снова не смог его наблюдать. Эксперимент снова установил нижнюю границу периода полураспада протона.
Камиоканде-III [ править ]
Последняя модернизация детектора, Камиоканде-III, работала в 1990–1995 гг.
Нобелевская премия [ править ]
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. Раймонд Дэвис-младший и Риккардо Джаккони стали соучредителями этой премии.
K2K [ править ]
В эксперименте KEK To Kamioka [6] нейтрино из ускорителей использовались для проверки осцилляций, наблюдаемых в сигнале атмосферных нейтрино, с помощью хорошо контролируемого и понятного пучка. Пучок нейтрино был направлен от ускорителя КЭК на Супер Камиоканде. В ходе эксперимента были обнаружены параметры колебаний, которые соответствовали параметрам, измеренным Super-K.
Текущие эксперименты [ править ]
Супер Камиоканде [ править ]
К 1990-м годам физики элементарных частиц начали подозревать, что проблема солнечных нейтрино и дефицит атмосферных нейтрино как-то связаны с осцилляциями нейтрино . Супер Камиоканд детектор был разработан , чтобы проверить гипотезу колебаний для обоего солнечных и атмосферных нейтрино. Детектор Супер-Камиоканде массивен даже по стандартам физики элементарных частиц. Он состоит из 50 000 тонн чистой воды, окруженной примерно 11 200 фотоумножителями. Детектор снова был сконструирован 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 действовать как вето для космических мюонов, но фактически помогать в их реконструкции.
Супер-Камиоканде начал сбор данных в 1996 году и провел несколько важных измерений. К ним относятся прецизионные измерения потока солнечных нейтрино с использованием взаимодействия упругого рассеяния, первое очень убедительное свидетельство осцилляций атмосферных нейтрино и значительно более жесткое ограничение на распад протона.
Нобелевская премия [ править ]
За свою работу с Super Kamiokande Такааки Кадзита разделил Нобелевскую премию 2015 года с Артуром Макдональдом .
Супер Камиоканде-II [ править ]
12 ноября 2001 года несколько тысяч фотоумножителей в детекторе Супер-Камиоканде взорвались , по-видимому, в результате цепной реакции, когда ударная волна от сотрясения каждой взрывающейся трубки треснула своих соседей. 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 [ править ]
В июле 2005 года началась подготовка к восстановлению детектора в его первоначальном виде путем переустановки около 6000 новых ФЭУ. Он был завершен в июне 2006 года. Данные, полученные с недавно восстановленной машины, были названы набором данных SuperKamiokande-III .
Супер Камиоканде-IV [ править ]
В сентябре 2008 года детектор завершил свою последнюю крупную модернизацию с использованием современной электроники и усовершенствований в динамике водной системы, методах калибровки и анализа. Это позволило SK получить свой самый большой набор данных ( SuperKamiokande-IV ), который продолжался до июня 2018 года, когда будет проведен новый ремонт детектора, включающий полный слив воды из резервуара и замену электроники, ФЭУ, внутренних структур и других частей.
Токай То Камиока (T2K) [ править ]
Эксперимент с длинной базой "Tokai To Kamioka" начался в 2009 году. Он производит прецизионные измерения параметров осцилляций атмосферных нейтрино и помогает установить значение θ 13 . Он использует пучок нейтрино, направленный на детектор Супер Камиоканде от протонного синхротрона на 50 ГэВ (в настоящее время 30 ГэВ) японской адронной установки в Токаи , так что нейтрино проходят общее расстояние 295 км (183 мили).
В 2013 году Т2К впервые наблюдал нейтринные осцилляции в канале появления: превращение мюонных нейтрино в электронные нейтрино. [7] В 2014 году коллаборация предоставила первые ограничения на величину фазы нарушения CP вместе с наиболее точным измерением угла смешивания θ 23 . [8]
KamLAND [ править ]
KamLAND - это 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 углу смешивания Солнца, но плохую чувствительность к квадрату разности масс, KamLAND имеет очень хорошую чувствительность к квадрату разности масс при плохой чувствительности к углу смешивания. Данные двух экспериментов могут быть объединены, если CPT является действительной симметрией нашей Вселенной . Эксперимент KamLAND расположен в оригинальной полости KamiokaNDE.
Обсерватория криогенного лазерного интерферометра (CLIO) [ править ]
CLIO - это небольшой детектор гравитационных волн со штангой 100 м (330 футов), который недостаточно велик для обнаружения астрономических гравитационных волн, но он является прототипом технологий криогенных зеркал для более крупного детектора KAGRA.
КАГРА [ править ]
Детектор гравитационных волн KAmioka GRA (ранее LCGT, Крупномасштабный криогенный гравитационно-волновой телескоп) был одобрен в 2010 году, земляные работы были завершены в марте 2014 года [9], а первая фаза вводится в эксплуатацию в 2016 году. Это лазерный интерферометр с двумя плечами , каждые 3 км в длину, и когда он будет завершен примерно в 2018 году, будет иметь запланированную чувствительность для обнаружения сливающихся двойных нейтронных звезд на расстоянии в сотни Мпк .
XMASS [ править ]
XMASS - это подземный эксперимент с жидкостным сцинтиллятором в Камиоке. Он искал темную материю .
NEWAGE [ править ]
NEWAGE - это чувствительный к направлению эксперимент по поиску темной материи, проводимый с использованием газовой микровременной проекционной камеры. [10] [11]
Будущие эксперименты [ править ]
Гипер-Камиоканде [ править ]
Существует программа [3] по созданию детектора в десять раз больше, чем Super Kamiokande, и этот проект известен под названием Hyper-Kamiokande . Первый танк будет сдан в эксплуатацию в середине 2020-х годов. [12] Во время «инаугурации» в 2017 году было объявлено, что резервуар (-ы) в 20 раз больше, чем последний (1000 миллионов литров в Hyper-Kamiokande против 50 миллионов в Super-Kamiokande ).
См. Также [ править ]
- МИНОС
- Система раннего предупреждения о сверхновых
- Супер-Камиоканде
- Гипер-Камиоканде
Ссылки [ править ]
- ^ a b c Накагава, Тецуо (9 апреля 2005 г.). Исследование раскопок пещеры Hyper-KAMIOKANDE на руднике Kamioka в Японии (PDF) . Новое поколение детекторов распада нуклонов и нейтрино . Оссуа, Савойя, Франция.
- ^ a b Сиодзава, Масато (15 декабря 2010 г.). Дизайн Hyper-Kamiokande (PDF) . 11-й Международный семинар по детекторам распада нуклонов и нейтрино нового поколения (NNN10) . Тояма . Проверено 27 августа 2011 года .
- ^ a b Abe, K .; и другие. (Рабочая группа Hyper-Kamiokanke) (15 сентября 2011 г.). «Письмо о намерениях: эксперимент Hyper-Kamiokande - конструкция детектора и физический потенциал -». arXiv : 1109.3262 [ hep-ex ].
- ^ a b c Накахата, Масаюки . «Камиоканде и Супер-Камиоканде» (PDF) . Ассоциация физических обществ Азиатско-Тихоокеанского региона . Проверено 8 апреля 2014 . [ постоянная мертвая ссылка ]
- ↑ Накамура, Кензо. «Настоящее состояние и будущее Камиоканде» (PDF) . Институт исследования космических лучей Токийского университета . Проверено 15 сентября 2018 .
- ^ "Эксперимент по осцилляции нейтрино с длинной базой, от KEK до Kamioka (K2K)" . Проверено 10 сентября 2008 .
- ^ Abe, K .; и другие. (Сотрудничество T2K) (14 февраля 2014 г.). «Наблюдение появления электронных нейтрино в пучке мюонных нейтрино». Письма с физическим обзором . 112 (6): 061802. arXiv : 1311.4750 . Bibcode : 2014PhRvL.112f1802A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.112.061802 . PMID 24580687 .
- ^ Abe, K .; и другие. (Сотрудничество T2K) (апрель 2015 г.). «Измерения каналов появления и исчезновения осцилляций нейтрино с помощью эксперимента T2K с 6,6 × 10 20 протонов на мишени». Physical Review D . 91 (7): 072010. arXiv : 1502.01550 . Bibcode : 2015PhRvD..91g2010A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.91.072010 .
- ^ "Раскопки 7-километрового туннеля KAGRA завершены" (пресс-релиз). Токийский университет. 31 марта 2014 . Проверено 7 июня 2015 .
- ↑ Хашимото, Такаши; Миучи, Кентаро; Накамура, Кисеки; Якабе, Рёта; Икеда, Томонори; Тайшаку, Рёске; Накадзава, Мики; Ишиура, Хирохиса; Очи, Атсухико; Такеучи, Ясуо; Barbi, M .; Баркер, ГДж; Barr, G .; Бас, М .; Баткевич, М .; Bay, F .; Bentham, SW; Берарди, В .; Berger, BE; Беркман, С .; Бертрам, I .; Bhadra, S .; Blaszczyk, F. d. М .; Блондель, А .; Боечко, Ц .; Bordoni, S .; Бойд, SB; Brailsford, D .; Бравар, А .; и другие. (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 . Bibcode : 2018AIPC.1921g0001H. DOI : 10.1063 / 1.5019004 .
- ^ Накамура, К .; Miuchi, K .; Танимори, Т .; Kubo, H .; Takada, A .; Паркер, JD; Mizumoto, T .; Mizumura, Y .; Nishimura, H .; Sekiya, H .; Takeda, A .; Савано, Т .; Matsuoka, Y .; Komura, S .; Yamaguchi, Y .; Хашимото, Т. (2015). «Чувствительный к направлению поиск темной материи с помощью газового следящего детектора NEWAGE-0.3b ' » . Успехи теоретической и экспериментальной физики . 2015 (4): 43F01–0. Bibcode : 2015PTEP.2015d3F01N . DOI : 10,1093 / ptep / ptv041 .
- ^ «Проект Hyper-Kamiokande входит в дорожную карту крупных проектов MEXT | HyperKamiokande» .
Внешние ссылки [ править ]
- Официальная домашняя страница Супер-Камиоканде
- Домашняя страница American Super-K
- Официальный отчет об аварии Super-K (в формате PDF)
- Сайт Т2К
Координаты : 36 ° 25,6'N 137 ° 18,7'E / 36,4267 ° с.ш.137,3117 ° в. / 36,4267; 137,3117 ( Гора Икено (Икенояма) ) (гора Икено).
