Супер-Камиоканде

За пределами стандартной модели
Смоделированные данные детектора частиц CMS на Большом адронном коллайдере, изображающие бозон Хиггса, образованный сталкивающимися протонами, распадающимися на адронные струи и электроны
Стандартная модель
Свидетельство Проблема иерархии Темная материя Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темное излучение Темный фотон Проблема космологической постоянной Сильная проблема CP Колебания нейтрино
Теории Теория Бранса – Дике Гипотеза космической цензуры Пятая сила F-теория Теория всего Гипотеза математической вселенной Единая теория поля Теория Великого Объединения Море Дирака Разноцветный Теория Калуцы – Клейна Теория объективного коллапса Квантовая теория поля Квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени Теория теплового квантового поля Топологическая квантовая теория поля Конформная теория поля Двумерная конформная теория поля Локальная квантовая теория поля Теория поля Лиувилля 6D (2,0) суперконформная теория поля Некоммутативная квантовая теория поля Квантовая механика Квантовая космология Космология браны Теория струн Теория суперструн М-теория Гипотеза математической вселенной Зеркальное дело Модель Рэндалла – Сундрама теория де Бройля – Бома Стохастическая электродинамика Гипотеза термализации собственного состояния Теория Янга – Миллса N = 4 суперсимметричная теория Янга – Миллса Твисторная теория струн Темная жидкость Теория рассеяния Теория сверхтекучего вакуума Двойная специальная теория относительности инвариант де Ситтера специальная теория относительности Причинные фермионные системы Квантовая термодинамика Термодинамика черной дыры Цифровая физика Физика без частиц Гравифотон Гравискалар Гравитон Гравитино Массивная гравитация Теория Янга – Миллса Калибровочная теория Теория калибровочной гравитации Калибровочная теория гравитации Теория скрытых переменных Теория пилотных волн Симметрия CPT
Суперсимметрия MSSM NMSSM Теория суперструн М-теория Супергравитация Нарушение суперсимметрии Большие дополнительные размеры
Квантовая гравитация Ложный вакуум Теория струн Отжим пена Квантовая пена Квантовая геометрия Петлевая квантовая гравитация Квантовая космология Петлевая квантовая космология Причинная динамическая триангуляция Причинные фермионные системы Причинные множества Симметрия событий Каноническая квантовая гравитация Полуклассическая гравитация Теория сверхтекучего вакуума
Эксперименты ЭННИ Гран Сассо Я НЕ LHC SNO Супер-К Теватрон Новая звезда
v т е

Координаты : 36 ° 25′32,6 ″ с.ш., 137 ° 18′37,1 ″ в.д. / 36,425722 ° с.ш.137,310306 ° в. / 36.425722; 137,310306 ^[1]

Супер-Камиоканде (аббревиатура от Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment , также сокращенно Super-K или SK ; японский язык :ス ー パ ー カ ミ オ カ ン デ) - нейтринная обсерватория, расположенная под горой Икено недалеко от города Хида , префектура Гифу , Япония . Он расположен на глубине 1000 м (3300 футов) под землей в шахте Мозуми в районе Камиока города Хида. Обсерватория предназначена для регистрации нейтрино высоких энергий, поиска распада протона , изучения солнечных и атмосферных нейтрино., и следите за сверхновыми в галактике Млечный Путь .

Он состоит из цилиндрического резервуара из нержавеющей стали высотой и диаметром около 40 м (131 фут), вмещающего 50 000 тонн сверхчистой воды . На внутренней надстройке установлено около 13 000 фотоэлектронных умножителей, которые улавливают свет от черенковского излучения . Взаимодействие нейтрино с электронами ядер воды может создать электрон или позитрон, который движется быстрее скорости света в воде , которая меньше скорости света в вакууме . Это создает конус света черенковского излучения , который является оптическим эквивалентом звукового удара.. Черенковский свет регистрируется фотоэлектронными умножителями. На основе информации, записанной каждой трубкой, определяется направление и аромат падающего нейтрино.

Описание [ править ]

Super-K расположен на глубине 1000 м (3300 футов) под землей в шахте Мозуми в районе Камиока города Хида. ^{[2] [3]} Он состоит из цилиндрического резервуара из нержавеющей стали высотой 41,4 м (136 футов) и диаметром 39,3 м (129 футов), вмещающего 50 000 тонн сверхчистой воды . Объем резервуара разделен надстройкой из нержавеющей стали на внутренний детектор (ID), который составляет 36,2 м (119 футов) в высоту и 33,8 м (111 футов) в диаметре, и внешний детектор (OD), который состоит из оставшихся объем бака. На надстройке установлены 11 146 фотоумножителей (ФЭУ) диаметром 50 см (20 дюймов), обращенных к внутреннему диаметру, и 1885 ФЭУ 20 см (8 дюймов), обращенных к внешнему диаметру. Есть Тайвеки барьер из черного листа, прикрепленный к надстройке, который оптически разделяет ID и OD. ^{[ необходима цитата ]}

Взаимодействие нейтрино с электронами или ядрами воды может произвести заряженную частицу, которая движется быстрее, чем скорость света в воде , которая меньше скорости света в вакууме . Это создает световой конус, известный как черенковское излучение , которое является оптическим эквивалентом звукового удара . Черенковский свет проецируется кольцом на стенку детектора и регистрируется ФЭУ. Используя информацию о времени и заряде, записанную каждым ФЭУ, определяют вершину взаимодействия, направление кольца и аромат входящего нейтрино. По остроте края кольца можно определить тип частицы. Многократное рассеяниеэлектронов велико, поэтому электромагнитные ливни образуют нечеткие кольца. Высококвалифицированные релятивистские мюоны , в отличие от путешествия почти прямо через детектор и производить кольца с острыми краями. ^{[ необходима цитата ]}

История [ править ]

Строительство предшественника настоящего Камиок обсерватории , в Институте космических лучей исследований , Университет Токио началось в 1982 году и был завершен в апреле 1983 г. Цели обсерватории была обнаружить ли распад протона существует, один из самых фундаментальных вопросов физика элементарных частиц. ^{[4] [5] [6] [7] [8]}

Детектор, названный KamiokaNDE для эксперимента по распаду нуклонов Камиока, представлял собой резервуар высотой 16,0 м (52 фута) и шириной 15,6 м (51,2 фута), содержащий 3048 метрических тонн (3000 тонн) чистой воды и около 1000 фотоумножителей (ФЭУ). ) прикреплен к его внутренней поверхности. Детектор был модернизирован, начиная с 1985 года, чтобы он мог наблюдать солнечные нейтрино. В результате детектор (KamiokaNDE-II) стал достаточно чувствительным, чтобы обнаруживать нейтрино от SN 1987A , сверхновой, которая наблюдалась в Большом Магеллановом Облаке в феврале 1987 года, и для наблюдения солнечных нейтрино в 1988 году. Возможности эксперимента Kamiokande наблюдать за направлением электронов, образующихся при взаимодействии солнечных нейтрино позволил экспериментаторам впервые напрямую продемонстрировать, что Солнце является источником нейтрино.

Проект Супер-Камиоканде был одобрен Министерством образования, науки, спорта и культуры Японии в 1991 году на общую сумму около 100 млн долларов США. Часть предложения, которая заключалась в основном в создании системы OD, была одобрена США. Министерство энергетики в 1993 г. за 3 миллиона долларов США. Кроме того, США также предоставили около 2000 20-сантиметровых ФЭУ, переработанных в результате эксперимента IMB . ^[9]

Несмотря на успехи в нейтринной астрономии и нейтринной астрофизике, Камиоканде не достиг своей основной цели - обнаружения распада протона. Более высокая чувствительность была также необходима для получения высокой статистической достоверности результатов. Это привело к строительству Супер-Камиоканде, в котором в пятнадцать раз больше воды и в десять раз больше ФЭУ, чем в Камиоканде. Super-Kamiokande начал работу в 1996 году.

Сотрудничество Супер-Камиоканде объявило о первом свидетельстве осцилляции нейтрино в 1998 году. ^[10] Это было первое экспериментальное наблюдение, подтверждающее теорию о том, что нейтрино имеет ненулевую массу , вероятность, о которой теоретики размышляли в течение многих лет. Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена исследователю Super-Kamiokande Такааки Кадзита вместе с Артуром Макдональдом из Нейтринной обсерватории Садбери за их работу, подтверждающую осцилляции нейтрино.

12 ноября 2001 г. около 6600 фотоэлектронных умножителей (стоимостью около 3000 долларов каждая ^[11] ) в детекторе Супер-Камиоканде взорвались , очевидно, в результате цепной реакции или каскадного отказа , поскольку ударная волна от сотрясения каждой взрывающейся трубки треснула его. соседи. Детектор был частично восстановлен за счет перераспределения труб фотоумножителя, которые не взорвались, и за счет добавления защитных акриловых оболочек, которые, как ожидается, предотвратят повторение еще одной цепной реакции (Супер-Камиоканде-II).

В июле 2005 года началась подготовка к восстановлению детектора в его первоначальном виде путем переустановки около 6000 ФЭУ. Работы были завершены в июне 2006 г., после чего детектор был переименован в Супер-Камиоканде-III. На этом этапе эксперимента собирались данные с октября 2006 года по август 2008 года. В то время была произведена значительная модернизация электроники. После обновления новая фаза эксперимента получила название Супер-Камиоканде-IV. SK-IV собирал данные о различных естественных источниках нейтрино, а также действовал в качестве дальнего детектора для эксперимента по осцилляциям нейтрино с длинной базой Токай-Камиока (T2K).

SK-IV действовал до июня 2018 года. После этого детектор прошел полную реконструкцию осенью 2018 года. 29 января 2019 года детектор возобновил сбор данных. ^[12]

Детектор [ править ]

Super-Kamiokande (SK) - это черенковский детектор, используемый для изучения нейтрино от различных источников, включая Солнце, сверхновые, атмосферу и ускорители. Он также используется для поиска распада протона. Эксперимент начался в апреле 1996 года и был остановлен на техническое обслуживание в июле 2001 года, в период, известный как «SK-I». Поскольку во время технического обслуживания произошла авария, эксперимент возобновился в октябре 2002 года с использованием только половины первоначального количества ID-PMT. Во избежание дальнейших аварий все ID-PMT были покрыты армированным волокном пластиком с акриловыми передними окнами. Этот этап с октября 2002 г. до закрытия на полную реконструкцию в октябре 2005 г. называется «SK-II». В июле 2006 г. эксперимент возобновился с полным количеством ФЭУ и остановился 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 приведены в таблице 1.^[13]

Обновление SK-IV [ править ]

На предыдущих этапах ID-PMT обрабатывали сигналы специальными электронными модулями, называемыми модулями аналоговой синхронизации (ATM). Аналоговые преобразователи заряда (QAC) и время-аналоговые преобразователи (TAC) содержатся в этих модулях, которые имеют динамический диапазон от 0 до 450 пикокулонов (пКл) с разрешением 0,2 пКл для заряда и от -300 до 1000 нс с Разрешение 0,4 нс по времени. Было две пары QAC / TAC для каждого входного сигнала ФЭУ, это предотвращало мертвое время и позволяло считывать множественные последовательные попадания, которые могут возникнуть, например, от электронов, которые являются продуктами распада останавливающихся мюонов. ^[13]

Система SK была модернизирована в сентябре 2008 года для поддержания стабильности в следующем десятилетии и повышения пропускной способности систем сбора данных, электроники на основе QTC и Ethernet (QBEE). ^[14] QBEE обеспечивает высокоскоростную обработку сигналов путем объединения конвейерных компонентов. Эти компоненты представляют собой недавно разработанный индивидуальный преобразователь заряда во время (QTC) в виде специализированной интегральной схемы (ASIC), многоразового преобразователя времени в цифровой (TDC) и программируемой пользователем вентильной матрицы. (ПЛИС). ^[15] Каждый вход QTC имеет три диапазона усиления - «Малый», «Средний» и «Большой» - разрешения для каждого из них показаны в таблице. ^[13]

Для каждого диапазона аналого-цифровое преобразование выполняется отдельно, но используется единственный диапазон с самым высоким разрешением, который не насыщается. Общий динамический диапазон заряда QTC составляет 0,2–2500 пКл, что в пять раз больше, чем у старого. Зарядное и временное разрешение QBEE на уровне одиночных фотоэлектронов составляет 0,1 фотоэлектрона и 0,3 нс соответственно, что лучше, чем собственное разрешение 20-дюймового. ФЭУ, используемые в СК. QBEE обеспечивает хорошую линейность заряда в широком динамическом диапазоне. Интегрированная линейность заряда электроники лучше 1%. Пороги дискриминаторов в QTC установлены на -0,69 мВ (эквивалент 0,25 фотоэлектрона, что аналогично SK-III). Этот порог был выбран для воспроизведения поведения детектора во время его предыдущих фаз работы с банкоматом.^[13]

SuperKGd [ править ]

Гадолиний будет введен в резервуар Супер-Камиоканде в конце 2019 года и начнет работать в конце 2019 года или в начале 2020 года. ^[16] Он известен как проект SK-Gd (другие названия включают SuperKGd , SUPERK-GD и аналогичные названия). . ^[17]

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, производящие 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. ^[18]

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, сначала когда нейтрино попадает в протон, а вторую, когда гадолиний поглощает нейтрон. ^[16] Яркость первой вспышки позволяет физикам различать антинейтрино низкой энергии от Земли и антинейтрино высокой энергии от сверхновой. Помимо наблюдения за нейтрино от далеких сверхновых звезд, Супер-Камиоканде сможет подавать сигнал тревоги, чтобы информировать астрономов всего мира о присутствии сверхновой в Млечном Пути в течение одной секунды после ее появления.

Самая большая проблема заключалась в том, можно ли непрерывно фильтровать воду детектора для удаления примесей без одновременного удаления гадолиния. 200-тонный прототип EGADS с добавлением сульфата гадолиния был установлен на руднике Камиока и проработал многие годы. Он завершил работу в 2018 году и показал, что новая система очистки воды удаляет примеси, сохраняя при этом стабильную концентрацию гадолиния. Он также показал, что сульфат гадолиния не будет значительно ухудшать прозрачность сверхчистой воды и не вызывает коррозии или отложений на существующем оборудовании или на новых клапанах, которые позже будут установлены в Hyper-Kamiokande . ^{[17] [18]}

Резервуар для воды [ править ]

Внешний корпус резервуара для воды представляет собой цилиндрический резервуар из нержавеющей стали диаметром 39 м и высотой 42 м. Резервуар является самонесущим, засыпанный бетоном у грубо высеченных каменных стен для противодействия давлению воды при заполнении резервуара. Вместимость резервуара превышает 50 тыс. Тонн воды. ^[9]

ГУП и связанная структура [ править ]

Базовым блоком для ID PMT является «супермодуль», кадр, который поддерживает массив PMT 3 × 4. Рамы супермодулей имеют высоту 2,1 м, ширину 2,8 м и толщину 0,55 м. Эти рамки соединены друг с другом как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Затем вся опорная конструкция соединяется с нижней частью резервуара и с верхней конструкцией. Супермодули не только служили жесткими конструктивными элементами, но и упростили первоначальную сборку ИД. Каждый супермодуль собирался на дне резервуара, а затем поднимался в окончательное положение. Таким образом, ID фактически выложен супермодулями. Во время установки ФЭУ ID были предварительно собраны в блоки по три для облегчения установки. На задней стороне каждого супермодуля прикреплены два ФЭУ OD.Опорная конструкция для нижних ФЭУ прикреплена к дну резервуара из нержавеющей стали с помощью одной вертикальной балки на раму супермодуля. Опорная конструкция для верхней части резервуара также используется в качестве несущей конструкции для верхних ИХ.

Кабели от каждой группы из 3 ФЭУ связаны вместе. Все кабели проложены до наружной поверхности несущей конструкции ЕЙ, т.е. на плоскости OD ЕЙ, проходят через кабельные порты в верхней части бака, а затем направляются в бараки электроники.

Толщина OD незначительно варьируется, но в среднем составляет около 2,6 м сверху и снизу и 2,7 м по стенке ствола, что дает общую массу OD 18 килотонн. ФЭУ OD были распределены по 302 на верхнем слое, 308 на нижнем и 1275 на стенке цилиндра.

Для защиты от низкоэнергетического фонового излучения от продуктов распада радона в воздухе крыша полости и туннели доступа 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. ^[9]

Среднее геомагнитное поле составляет около 450 мГс и наклонено примерно на 45 ° по отношению к горизонту в месте обнаружения. Это представляет проблему для больших и очень чувствительных ФЭУ, которые предпочитают гораздо более низкое окружающее поле. Сила и однородное направление геомагнитного поля могут систематически смещать траектории фотоэлектронов и время в ФЭУ. Чтобы противодействовать этому, 26 комплектов горизонтальных и вертикальных катушек Гельмгольца расположены вокруг внутренних поверхностей резервуара. При их работе среднее поле в детекторе уменьшается примерно до 50 мГс. Магнитное поле в различных точках ФЭУ измерялось перед заполнением резервуара водой. ^[9]

Стандартный реперный объем приблизительно 22,5 кт определяется как область внутри поверхности, оттянутой на 2,00 м от внутренней стены, чтобы минимизировать аномальный отклик, вызванный естественной радиоактивностью в окружающей породе.

Система мониторинга [ править ]

Система онлайн-мониторинга [ править ]

Компьютер онлайн-мониторинга, расположенный в диспетчерской, считывает данные с главного компьютера DAQ через канал FDDI. Он предоставляет операторам смены гибкий инструмент для выбора функций отображения событий, создает гистограммы онлайн и недавнюю историю 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 могут быть удалены, а инструменты элементарного анализа могут применяться для проверки качества данных во время калибровки или после изменений в оборудовании или онлайн-программном обеспечении. ^[9]

Монитор сверхновой в реальном времени [ править ]

Чтобы обнаруживать и идентифицировать такие всплески как можно более эффективно и быстро, Super-Kamiokande оснащен системой онлайн-мониторинга сверхновых. Всего в Супер-Камиоканде ожидается около 10 000 событий, связанных со взрывом сверхновой в центре нашей Галактики. Super-Kamiokande может измерять пакет без мертвого времени, до 30 000 событий в течение первой секунды пакета. Теоретические расчеты взрывов сверхновых показывают, что нейтрино испускаются в течение всего времени в десятки секунд, причем примерно половина из них испускается в течение первых одной или двух секунд. Super-K будет искать кластеры событий в заданных временных окнах 0,5, 2 и 10 с. ^[9]Данные передаются в процесс анализа SN-часов в реальном времени каждые 2 минуты, а анализ обычно завершается за 1 минуту. Когда найдены кандидаты в события сверхновой (SN), вычисляется, если множественность событий больше 16, где определяется как среднее пространственное расстояние между событиями, т. Е.${\ displaystyle {R _ {\ text {mean}}}}$${\ displaystyle {R _ {\ text {mean}}}}$

${\displaystyle {R_{\text{mean}}}={\frac {\sum _{i=1}^{{N_{\text{multi}}}-1}\sum _{j=i+1}^{N_{\text{multi}}}|{r_{\text{i}}}-{r_{\text{j}}}|}{{N_{\text{multi}}}{C_{\text{2}}}}}}$

Нейтрино от сверхновых взаимодействуют со свободными протонами, производя позитроны, которые настолько равномерно распределены в детекторе, что для сверхновых событий должно быть значительно больше, чем для обычных пространственных скоплений событий. В детекторе Супер-Камиоканде значение Rmean для равномерно распределенных событий Монте-Карло показывает, что хвоста ниже ⩽1000 см не существует . Для класса всплеска «тревога» требуется, чтобы события имели ≥900 см для 25 ≤ ≤40 или ≥750 см для > 40. Эти пороги были определены экстраполяцией данных SN1987A. ^{[9] [19]}${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$${\displaystyle {N_{\text{multi}}}}$${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$${\displaystyle {N_{\text{multi}}}}$Система будет запускать специальные процессы для проверки мюонов расщепления, когда кандидаты на выбросы соответствуют «тревожным» критериям, и принимать первичное решение для дальнейшего процесса. Если кандидат на пакет проходит эти проверки, данные будут повторно проанализированы с использованием автономного процесса, и окончательное решение будет принято в течение нескольких часов. Во время бега Супер-Камиоканде I этого не произошло. Одна из важных возможностей [Супер-Камиоканде] - восстановить направление на сверхновую. По рассеянию нейтрино на электронах в случае сверхновой в центре нашей Галактики ожидается 100–150 событий. ^[9] Направление на сверхновую можно измерить с угловым разрешением.${\displaystyle \nu _{\text{x}}+e^{-}\to \nu _{\text{x}}+e^{-}}$

${\displaystyle \delta \theta \sim {30^{\circ } \over {\sqrt {N}}}}$

где N - количество событий, вызванных рассеянием ν – e. Следовательно, угловое разрешение может достигать δθ∼3 ° для сверхновой звезды в центре нашей Галактики. ^[9] В этом случае может быть предоставлен не только временной профиль и энергетический спектр нейтринной вспышки, но также информация о направлении сверхновой.

Монитор медленного управления и автономный монитор процесса [ править ]

Существует процесс, называемый «медленным контролем», который является частью системы онлайн-мониторинга, он отслеживает состояние систем высокого напряжения, температуру ящиков электроники и состояние компенсирующих катушек, используемых для подавления геомагнитного поля. При обнаружении любого отклонения от нормы физики будут предупреждены о необходимости проведения расследования, принятия соответствующих мер или уведомления экспертов. ^[9]

Для мониторинга и управления автономными процессами, которые анализируют и передают данные, был разработан комплекс программного обеспечения. Этот монитор позволяет физикам, не являющимся экспертами, выявлять и устранять распространенные проблемы, чтобы минимизировать время простоя, а программный пакет внес значительный вклад в бесперебойную работу эксперимента и его общую высокую эффективность в течение срока службы для сбора данных. ^[9]

Исследование [ править ]

Солнечное нейтрино [ править ]

Энергия Солнца исходит от ядерного синтеза в его ядре, где атом гелия и электронное нейтрино генерируются 4 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 прибывают на Землю 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. ^[20]

В 1999 году Супер-Камиоканде обнаружил убедительные доказательства осцилляции нейтрино, которые успешно объяснили проблему солнечных нейтрино . Солнце и около 80% видимых звезд вырабатывают свою энергию путем преобразования водорода в гелий посредством

${\displaystyle 4p\to {}^{4}\!He+2e^{+}+2\nu _{e}+26.73}$ МэВ

Следовательно, звезды являются источником нейтрино, в том числе и наше Солнце . Эти нейтрино в основном проходят через pp-цепочку с меньшими массами, а для более холодных звезд - в основном через цикл CNO с более тяжелыми массами.

В начале 1990-х, особенно с учетом неопределенностей, которые сопровождали первоначальные результаты экспериментов Kamioka 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 нейтринных потоков, несовместимую с какой-либо настройкой SSM. Это, в свою очередь, помогло создать новое поколение очень эффективных активных детекторов. Этими экспериментами являются Супер-Камиоканде, Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) и Борексино . Супер-Камиоканде удалось обнаружить события упругого рассеяния (ES)

${\displaystyle \nu _{x}+e^{-}\to \nu _{x}+e^{-}}$

который из-за вклада заряженного тока в рассеяние имеет относительную чувствительность к s-нейтрино и нейтрино с тяжелым ароматом ∼7: 1. ^[21] Поскольку направление электрона отдачи ограничено, чтобы быть очень прямым, направление нейтрино сохраняется в направлении электронов отдачи. Здесь указан угол между направлением электронов отдачи и положением Солнца. Это показывает, что поток солнечных нейтрино можно рассчитать равным . По сравнению с SSM соотношение есть . ^[22] Результат ясно указывает на дефицит солнечных нейтрино.${\displaystyle \nu _{e}}$${\displaystyle \nu _{e}}$${\displaystyle \cos \theta _{Sun}}$${\displaystyle \theta _{Sun}}$${\displaystyle {}^{8}\!B}$${\displaystyle 2.40\pm 0.03(stat.){}_{-0.07}^{+0.08}\!(sys.)\times 10^{6}cm^{-2}s^{-1}}$${\displaystyle {Data \over SSM_{BP98}}=0.465\pm 0.005(stat.){}_{-0.013}^{+0.015}\!(sys.)}$

${\displaystyle \cos \theta _{\text{sun}}}$распределение выше 5,5 МэВ. Сплошная линия указывает наилучшее соответствие с учетом потока как свободного параметра.

Атмосферное нейтрино [ править ]

Атмосферные нейтрино - это вторичные космические лучи, образующиеся при распаде частиц в результате взаимодействия первичных космических лучей (в основном протонов ) с атмосферой Земли . Наблюдаемые атмосферные нейтринные события делятся на четыре категории. Полностью содержащиеся (FC) события имеют все свои треки во внутреннем детекторе, в то время как частично содержащиеся (PC) события имеют уходящие треки от внутреннего детектора. Восходящие мюоны (UTM) образуются в породе под детектором и проходят через внутренний детектор. Мюоны с остановкой вверх (USM) также образуются в породе под детектором, но останавливаются во внутреннем детекторе.

Число наблюдаемых нейтрино предсказывается одинаково независимо от зенитного угла. Однако Супер-Камиоканде обнаружил, что количество восходящих мюонных нейтрино (генерированных на другой стороне Земли) составляет половину количества нисходящих мюонных нейтрино в 1998 году. Это можно объяснить тем, что нейтрино меняются или осциллируют в какие-то другие. нейтрино, которые не обнаружены. Это называется осцилляцией нейтрино ; это открытие указывает на конечную массу нейтрино и предлагает расширение Стандартной модели. Нейтрино колеблются в трех вариантах, и все нейтрино имеют массу покоя. Более поздний анализ в 2004 г. предложил синусоидальную зависимость частоты событий как функцию «Длина / Энергия», что подтвердило осцилляции нейтрино. ^[23]

K2K Experiment [ править ]

Эксперимент K2K был нейтринным экспериментом с июня 1999 года по ноябрь 2004 года. Этот эксперимент был разработан для проверки осцилляций, наблюдаемых Супер-Камиоканде через мюонные нейтрино . Он 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. Более поздний эксперимент Эксперимент T2K продолжился как второе поколение, продолжающее эксперимент K2K .

T2K Experiment [ править ]

Эксперимент T2K (Tokai to Kamioka) - нейтринный эксперимент, в котором участвовали несколько стран, включая Японию , США и другие. Цель T2K - получить более глубокое понимание параметров осцилляции нейтрино . T2K произвел поиск осцилляций от мюонных нейтрино до электронных нейтрино и объявил о первых экспериментальных показаниях для них в июне 2011 года. ^[24] Детектор Супер-Камиоканде играет роль «дальнего детектора». Детектор Super-K будет регистрировать черенковское излучение мюонов и электронов, созданное взаимодействием нейтрино высоких энергий с водой.

Распад протона [ править ]

В Стандартной модели протон считается абсолютно стабильным . 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 опровергнуть некоторые из этих теорий. Супер-Камиоканде в настоящее время является крупнейшим детектором для наблюдения за распадом протона.

Очищение [ править ]

Система очистки воды [ править ]

50 килотонн чистой воды непрерывно перерабатываются со скоростью около 30 тонн / час в закрытой системе с начала 2002 года. Теперь сырая шахтная вода повторно используется на первом этапе (фильтры твердых частиц и обратный осмос) в течение некоторого времени перед другими процессами, которые включают дорогие расходные материалы, накладываются. Первоначально вода из резервуара Супер-Камиоканде проходит через фильтры с номинальной сеткой 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 УФ-стерилизатором. Картриджный полировщик (CP) удаляет тяжелые ионы, которые также снижают прозрачность воды и содержат радиоактивные частицы. Модуль CP увеличивает типичное удельное сопротивление оборотной воды с 11 МОм см до 18,24 МОм см, приближаясь к химическому пределу. ^[9]Первоначально в систему был включен ионообменник (IE), но он был удален, когда было обнаружено, что смола IE является значительным источником радона. Этап обратного осмоса, который удаляет дополнительные твердые частицы, и введение воздуха с пониженным содержанием Rn в воду, что увеличивает эффективность удаления радона в последующей ступени вакуумного дегазирования (VD), были установлены в 1999 году. После этого VD удаляет растворенные газы в воде. . Эти газы растворены в воде, что является серьезным источником событий для солнечных нейтрино в диапазоне энергий МэВ и растворенного кислорода.способствует росту бактерий. Эффективность удаления составляет около 96%. Затем вводится ультрафильтр (UF) для удаления частиц, минимальный размер которых соответствует молекулярной массе приблизительно 10 000 (или диаметру около 10 нм) благодаря фильтрам с половолоконными мембранами. Наконец, мембранный дегазатор (MD) удаляет радон, растворенный в воде, и измеренная эффективность удаления радона составляет около 83%. Концентрация радоновых газов уменьшена 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 в воде, выводимой системой, 0,4 ± 0,2 мБк м ^–3 . ^[9]

Система очистки воздуха [ править ]

Очищенный воздух подается в зазор между поверхностью воды и верхней частью резервуара Супер-Камиоканде. Система очистки воздуха состоит из трех компрессоров, буферной емкости, осушителей, фильтров и фильтров с активированным углем . Всего используется 8 м ³ активированного угля. Последние 50 л древесного угля охлаждаются до −40 ° C, чтобы повысить эффективность удаления радона. Типичные значения расхода, точки росы и остаточной концентрации радона составляют 18 м ³ / ч, –65 ° C (@ + 1 кг / см ² ) и несколько мБк м ^–3 соответственно. Типичная концентрация радона в воздухе под куполом составляет 40 Бк м ^-3 . Уровни радона в воздухе шахтного туннеля около 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 шахтной туннельной системы; в холодное время года свежий воздух поступает во вход в туннель Атоцу, который представляет собой относительно короткий путь через обнаженную скалу до экспериментальной зоны, тогда как летом воздух выходит из туннеля, втягивая богатый радоном воздух из глубины шахты мимо шахты. экспериментальная площадка. ^[9]

Чтобы поддерживать уровни радона в зоне купола и в системе очистки воды ниже 100 Бк м ^-3 , свежий воздух постоянно закачивается со скоростью примерно 10 м ³ / мин из-за пределов шахты, что создает небольшое избыточное давление в экспериментальной супер-Камиоканде. область, чтобы свести к минимуму попадание окружающего шахтного воздуха. Рядом с входом в туннель Атоцу была построена «Радоновая хижина» (Rn Hut), в которой размещалось оборудование для воздушной системы купола: воздушный насос мощностью 40 л.с. с 10 м ^ 3 мин ^-1.Производительность насоса 15 фунтов на квадратный дюйм, осушитель воздуха, баки угольного фильтра и управляющая электроника. Осенью 1997 года была установлена ​​удлиненная воздухозаборная труба на высоте примерно 25 м над входом в туннель Атоцу. Этот низкий уровень удовлетворяет этим целям качества воздуха, так что операции по регенерации угольного фильтра больше не требуются. ^[9]

Обработка данных [ править ]

Автономная обработка данных производится как в Камиоке, так и в США.

В Камиоке [ править ]

Автономная система обработки данных расположена в Кенкьюто и подключена к детектору Super-Kamiokande с помощью оптоволоконного канала FDDI длиной 4 км. Поток данных из онлайновой системы составляет 450 кбайт сек ^-1 , в среднем, что соответствует 40 Гбайт день ^-1 или 14 терабайт год ^-1 . Магнитные ленты используются в автономной системе для хранения данных, и большая часть анализа выполняется здесь. 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 ЦЕРН, а также на системе обмена ZEBRA. ^[9]

Данные о событиях из онлайн-системы DAQ Super-Kamiokande в основном содержат список количества попаданий PMT, TDC и ADC, временные метки GPS и другие служебные данные. Для анализа солнечных нейтрино понижение энергетического порога является постоянной целью, поэтому необходимо постоянно стремиться к повышению эффективности алгоритмов восстановления; однако изменения в калибровках или методах редукции требуют повторной обработки более ранних данных. Как правило, каждый месяц обрабатывается 10 Тбайт необработанных данных, так что большой объем мощности процессора и высокоскоростной ввод-вывод получают доступ к необработанным данным. Кроме того, необходима обширная обработка моделирования методом Монте-Карло . ^[9]

Автономная система была разработана для удовлетворения всех этих требований: ленточное хранилище большой базы данных (14 Тбайт в год), стабильная обработка в полу-реальном времени, почти непрерывная повторная обработка и моделирование Монте-Карло. Компьютерная система состоит из трех основных подсистем: сервера данных, фермы ЦП и сети в конце первого этапа ^[9].

В США [ править ]

Система, предназначенная для автономной обработки данных вне офиса, была создана в Университете Стони Брук.в Стоуни-Брук, штат Нью-Йорк, для обработки необработанных данных, отправленных с Камиоки. Большая часть переформатированных необработанных данных копируется из системного объекта в Камиоке. В Стоуни-Брук была создана система для анализа и дальнейшей обработки. В Stony Brook необработанные данные обрабатывались многоленточным приводом DLT. Процессы обработки данных первого этапа были выполнены для анализа высоких энергий и анализа низких энергий. Обработка данных для анализа высоких энергий проводилась в основном для событий атмосферных нейтрино и поиска распада протонов, в то время как анализ низких энергий проводился в основном для событий солнечных нейтрино. Сокращенные данные для высокоэнергетического анализа были дополнительно отфильтрованы другими процессами восстановления, и полученные данные были сохранены на дисках. Сокращенные данные для низкого энергопотребления были сохранены на лентах DLT и отправлены в Калифорнийский университет., Ирвин для дальнейшей обработки.

Эта система анализа смещения продолжалась 3 года, пока не было доказано, что их цепочки анализа дают эквивалентные результаты. Таким образом, чтобы ограничить человеческие ресурсы, сотрудничество было сосредоточено на едином комбинированном анализе ^[26]

Результаты [ править ]

В 1998 году Super-K нашла первое убедительное свидетельство осцилляции нейтрино в результате наблюдения мюонных нейтрино, превращенных в тау-нейтрино. ^[27]

SK установил ограничения на время жизни протона и другие редкие распады и свойства нейтрино. СК установить нижнюю границу на протонах распадающихся в каоны 5,9 × 10 ³³ года ^[28]

В популярной культуре [ править ]

Супер-Камиоканде является предметом фотографии Андреаса Гурски , Камиоканде ^{[29] в} 2007 году, и был показан в эпизоде Космоса: Космическая одиссея . ^[30]

В сентябре 2018 года детектор был опорожнен на техническое обслуживание, что дало группе репортеров Австралийской радиовещательной корпорации возможность получать видео с разрешением 4K из резервуара обнаружения. ^[31]

См. Также [ править ]

• Гипер Камиоканде
• Масатоши Кошиба
• Ёдзи Тоцука
• Такааки Кадзита
• Сверхновая 1987A
• Проблема солнечных нейтрино
• Нейтринная обсерватория Садбери
• K2K эксперимент
• T2K эксперимент

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Домашняя страница Супер-Камиоканде