Супер-Камиоканде - Super-Kamiokande - Wikipedia

«Супер-К» перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. Супер К.

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 (сокращение от Эксперимент по обнаружению нейтрино Супер-Камиока, также сокращенно Супер-К или же SK; Японский: ス ー パ ー カ ミ オ カ ン デ) это нейтринная обсерватория расположен под горой Икено недалеко от города Хида, Префектура Гифу, Япония. Он расположен на глубине 1000 м (3300 футов) под землей в Мозуми. Мой в районе Камиока в Хиде. Обсерватория была предназначена для регистрации нейтрино высоких энергий, для поиска распад протона, изучать солнечный и атмосферные нейтрино, и следите за сверхновые в Млечный путь.

Он состоит из цилиндрического резервуара из нержавеющей стали высотой и диаметром около 40 м (131 фут), вмещающего 50 000 тонн сверхчистая вода. На внутренней надстройке установлено около 13000 человек. фотоумножитель трубки, которые обнаруживают свет от Черенковское излучение. Взаимодействие нейтрино с электроны ядер воды может произвести электрон или позитрон, который движется быстрее, чем скорость света в воде, что медленнее, чем скорость света в вакууме. Это создает конус Черенковское излучение свет, который является оптическим эквивалентом ударная волна. Черенковский свет регистрируется фотоэлектронными умножителями. Используя информацию, записанную каждой трубкой, направление и вкус приходящего нейтрино.

Описание

Super-K находится на глубине 1000 м (3300 футов) под землей в Мозуми. Мой в районе Камиока в Хиде.^[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 сверхчистая вода. 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 установлено 11146 единиц. фотоумножители (PMT) 50 см (20 дюймов) в диаметре, которые обращены к внутреннему диаметру, и 1885 20 см (8 дюймов) PMT, которые обращены к OD. Существует Тайвек и барьер из черного листа, прикрепленный к надстройке, который оптически разделяет ID и OD.^{[нужна цитата ]}

Взаимодействие нейтрино с электроны или ядра воды могут производить заряженную частицу, которая движется быстрее, чем скорость света в воде, что медленнее, чем скорость света в вакууме. Это создает конус света, известный как Черенковское излучение, который является оптическим эквивалентом ударная волна. Черенковский свет проецируется кольцом на стенку детектора и регистрируется ФЭУ. Используя информацию о времени и заряде, записанную каждым ФЭУ, определяется вершина взаимодействия, направление кольца и аромат входящего нейтрино. По остроте края кольца можно определить тип частицы. В многократное рассеяние электронов велико, поэтому электромагнитные ливни образуют нечеткие кольца. Высоко релятивистский мюоны, напротив, проходят почти прямо через детектор и образуют кольца с острыми краями.^{[нужна цитата ]}

История

Модель КамиокАНДЕ

Построение предшественника современности Обсерватория Камиока, то Институт исследования космических лучей, Токийский университет началась в 1982 году и была завершена в апреле 1983 года. Целью обсерватории было определить, есть ли распад протона существует, один из фундаментальных вопросов физики элементарных частиц.^{[4][5][6][7][8]}

Детектор, названный KamiokaNDE для эксперимента по распаду нуклона Kamioka, был бак 16,0 м (52 фута) в высоту и 15,6 м (51,2 фута) в ширину, содержащий 3048 метрических тонн (3000 тонн) чистой воды и около 1000 фотоумножителей (ФЭУ), прикрепленных к его внутренней поверхности. Детектор был модернизирован, начиная с 1985 года, чтобы он мог наблюдать солнечные нейтрино. В результате детектор (КамиокАНДЭ-II) стал достаточно чувствительным, чтобы регистрировать нейтрино от SN 1987A, а сверхновая звезда что наблюдалось в Большое Магелланово Облако в феврале 1987 г. и наблюдать солнечные нейтрино в 1988 г. Возможность эксперимента Камиоканде наблюдать направление электронов, образующихся в солнечных нейтрино взаимодействия 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 из IMB эксперимент.^[9]

Несмотря на успехи в нейтринная астрономия и нейтринная астрофизика, 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 осцилляция нейтрино в 1998 г.^[10] Это было первое экспериментальное наблюдение, подтверждающее теорию о том, что нейтрино имеет ненулевое значение. масса - возможность, о которой теоретики размышляли годами. 2015 год Нобелевская премия по физике был награжден исследователем Супер-Камиоканде Такааки Кадзита рядом Артур Макдональд в Нейтринной обсерватории Садбери за их работу по подтверждению осцилляций нейтрино.

12 ноября 2001 г. около 6600 фотоэлектронных умножителей (стоимостью около 3000 долл. США каждая).^[11]) в детекторе Супер-Камиоканде взорвался, по-видимому, в цепная реакция или же каскадный отказ, как ударная волна от сотрясения каждой взрывающейся трубы треснули его соседи. Детектор был частично восстановлен за счет перераспределения не взорвавшихся трубок фотоумножителей и добавления защитных акрил снаряды, которые, как ожидается, предотвратят повторение новой 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

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]

Поперечное сечение детектора Супер-Камиоканде.

Таблица 1

Фаза		SK-I	СК-II	СК-III	СК-IV
Период	Начинать	1996 апр.	2002 окт.	2006 июл.	2008 сен.
	Конец	2001 июл.	2005 окт.	2008 сен.	2018 июн.
Количество PMT	Я БЫ	11146 (40%)	5182 (19%)	11129 (40%)	11129 (40%)
	OD	1885
Контейнер антиимплозии		Нет	да	да	да
OD сегментация		Нет	Нет	да	да
Фронтальная электроника		Банкомат (ID)			QBEE
		OD QTC (OD)

Обновление СК-IV

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 несколько последовательных совпадений, которые могут возникнуть, например из электронов, являющихся 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 за счет 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]

Сводка диапазонов QTC для сбора заряда.

Классифицировать	Область измерения	Разрешение
Маленький	0–51 пКл	0,1 пКл / отсчет (0,04 пек / отсчет)
Середина	0–357 пКл	0,7 пКл / отсчет (0,26 пек / отсчет)
Большой	0–2500 пКл	4,9 пКл / отсчет (1,8 пек / отсчет)

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

Гадолиний будет внедрен в танк Супер-Камиоканде в конце 2019 года и начнет работать в конце 2019 или в начале 2020 года.^[16] Это известно как SK-Gd проект (другие имена включают SuperKGd, СУПЕРК-ГД, и подобные имена).^[17]

Термоядерная реакция 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 сверхновых. 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, или вызывать коррозию или осаждение на существующем оборудовании или на новых клапанах, которые позже будут установлены в Гипер-Камиоканде.^[17][18]

Водный танк

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 ассоциированная структура

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.

Схематическое изображение ФЭУ 50 см.

Кабели от каждой группы из 3 ФЭУ связаны вместе. Все кабели проложены вверх по внешней поверхности опорной конструкции PMT, то есть, на плоскости ОП PMT, проходят через кабельные порты в верхней части резервуара, а затем направляются в хижины 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 может 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 наблюдения

Система онлайн-мониторинга

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

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 несколько десятков 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 (СН), ${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$ вычисляется, если кратность события больше 16, где ${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$ определяется как среднее пространственное расстояние между событиями, т.е.

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

Нейтрино от сверхновых взаимодействуют со свободными протонами, образуя позитроны, которые так равномерно распределяются в детекторе, что ${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$ для событий SN должен быть значительно больше, чем для обычных пространственных кластеров событий. В детекторе Супер-Камиоканде значение Rmean для равномерно распределенных событий Монте-Карло показывает, что ниже хвоста нет. ${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$⩽1000 см. Для всплеска «тревожного» класса события должны иметь ${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$≥900 см для 25 ≤${\displaystyle {N_{\text{multi}}}}$⩽40 или ${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$≥750 см для ${\displaystyle {N_{\text{multi}}}}$> 40. Эти пороги были определены экстраполяцией данных SN1987A.^[9][19] 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 запуска Супер-Камиоканде I этого никогда не происходило. Одна из важных возможностей [Супер-Камиоканде] - восстановить направление на сверхновую. По рассеянию нейтрино на электронах ${\displaystyle \nu _{\text{x}}+e^{-}\to \nu _{\text{x}}+e^{-}}$всего ожидается 100–150 событий в случае сверхновой в центре нашей Галактики.^[9] Направление на сверхновую можно измерить с угловым разрешением.

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

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

Монитор медленного управления и автономный монитор процесса

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

Солнечное нейтрино

Смотрите также: Колебания нейтрино

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 проблема 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 наши. солнце. Эти нейтрино в основном проходят через pp-цепочку с более низкими массами, а для более холодных звезд - в основном через CNO-цепочки с более тяжелыми массами.

Левая рамка показывает три основных цикла, составляющих цепочку pp (ppI, ppII и ppIII), источники нейтрино, связанные с этими циклами. Правая рамка показывает цикл CN I.

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 корректировкой SSM. Это, в свою очередь, помогло создать новое поколение очень эффективных активных детекторов. Эти эксперименты - Супер-Камиоканде, Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) и Borexino. Супер-Камиоканде удалось обнаружить события упругого рассеяния (ES)

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

что из-за вклада заряженного тока в ${\displaystyle \nu _{e}}$ рассеяние, имеет относительную чувствительность к ${\displaystyle \nu _{e}}$ с 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, ${\displaystyle \cos \theta _{Sun}}$ предоставляется где ${\displaystyle \theta _{Sun}}$ - угол между направлением электронов отдачи и положением Солнца. Это показывает, что ${\displaystyle {}^{8}\!B}$ поток солнечных нейтрино можно рассчитать как ${\displaystyle 2.40\pm 0.03(stat.){}_{-0.07}^{+0.08}\!(sys.)\times 10^{6}cm^{-2}s^{-1}}$. По сравнению с SSM соотношение составляет ${\displaystyle {Data \over SSM_{BP98}}=0.465\pm 0.005(stat.){}_{-0.013}^{+0.015}\!(sys.)}$.^[22] Результат четко указывает на дефицит солнечных нейтрино.

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

Атмосферное нейтрино

Атмосферные нейтрино - это вторичные космические лучи, образующиеся при распаде частиц в результате взаимодействия первичных космических лучей (в основном протоны ) с Земная атмосфера. 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 осцилляция 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 Эксперимент

Основная статья: K2K эксперимент

Эксперимент K2K был нейтринным экспериментом с июня 1999 года по ноябрь 2004 года. Этот эксперимент был разработан для проверки осцилляций, наблюдаемых Супер-Камиоканде, через мюон нейтрино. Это дает первое положительное измерение осцилляции 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 эксперимент продолжалось как второе поколение, продолжающее K2K эксперимент.

T2K Эксперимент

Основная статья: T2K эксперимент

Прохождение пучка мюонных нейтрино от J-PARC к Super K

Эксперимент T2K (от Токая до Камиоки) - нейтринный эксперимент, в котором участвовали несколько стран, в том числе Япония, Соединенные Штаты и другие. Цель T2K - получить более глубокое понимание параметров осцилляция нейтрино. T2K искал колебания 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, созданных взаимодействием нейтрино высоких энергий с водой.

Дисплей событий в режиме реального времени от Super-K

Распад протона

Предполагается, что протон абсолютно устойчив в Стандартная модель. Тем не менее Теории Великого Объединения (GUT) предсказывают, что протоны могут разлагаться 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

Система очистки воды

Схематическое изображение системы очистки воды.

С начала 2002 г. чистая вода объемом 50 тыс. Тонн непрерывно перерабатывается со скоростью около 30 тонн / час в закрытой системе. Теперь неочищенная шахтная вода проходит рециркуляцию на первом этапе (фильтры твердых частиц и обратный осмос) в течение некоторого времени перед другими процессами, которые включают дорогостоящие 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, чтобы снизить уровень темнового шума ФЭУ, а также подавить рост бактерии. 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 ионообменник (IE) был включен в систему, но его убрали, 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 с серьезным фоном источников событий для солнечных нейтрино в диапазоне энергий МэВ и растворенных кислород 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 <2 мБк · м.⁻³, а по водоотведению системой 0,4 ± 0,2 мБк м⁻³.^[9]

Система очистки воздуха

Схематический вид системы очистки воздуха.

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 активированный уголь фильтры. Всего 8 м³ 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 м3.³/ ч, −65 ° C (@ + 1 кг / см²) 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 эффект дымохода в схеме вентиляции шахтной тоннельной 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]

Для поддержания уровня радона в зоне купола и в системе очистки воды ниже 100 Бк м.⁻³, свежий воздух постоянно подается на расстоянии примерно 10 м³/ мин из-за пределов шахты, что создает небольшое избыточное давление в экспериментальной зоне Супер-Камиоканде для минимизации проникновения 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.⁻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

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

В Камиоке

Автономная система обработки данных расположена в Кенкьюто и подключена к детектору Super-Kamiokande с помощью оптоволоконного канала FDDI длиной 4 км. Поток данных из онлайн-системы составляет 450 кбайт с⁻¹ в среднем, что соответствует 40 Гбайт в день⁻¹ или 14 Тбайт в 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. Поэтому структуры данных основаны на банковской системе ZEBRA, разработанной в ЦЕРН а также обменная система 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, обширная Монте-Карло Имитационная обработка также необходима.^[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 нас

Система, предназначенная для офлайн-обработки данных, была создана на заводе Университет Стоуни-Брук в Стоуни-Брук, штат Нью-Йорк, для обработки необработанных данных, отправленных с Камиоки. Most of the reformatted raw data is copied from system facility in Kamioka. At Stony Brook, a system was set up for analysis and further processing. At Stony Brook the raw data were processed with a multi-tape DLT drive. The first stage data reduction processes were done for the high energy analysis and for the low energy analysis. The data reduction for the high energy analysis was mainly for atmospheric neutrino events and proton decay search while the low energy analysis was mainly for the solar neutrino events. The reduced data for the high energy analysis was further filtered by other reduction processes and the resulting data were stored on disks. The reduced data for the low energy were stored on DLT tapes and sent to Калифорнийский университет, Irvine for further processing.

This offset analysis system continued for 3 years until their analysis chains were proved to produce equivalent results. Thus, in order to limit manpower, collaborations were concentrated to a single combined analysis^[25]

Полученные результаты

In 1998, Super-K found first strong evidence of осцилляция нейтрино from the observation of muon neutrinos changed into tau-neutrinos.^[26]

SK has set limits on proton lifetime and other rare decays and neutrino properties. SK set a lower bound on protons decaying to kaons of 5.9 × 10³³ год^[27]

В популярной культуре

Super-Kamiokande is the subject of Андреас Гурски 's 2007 photograph, Kamiokande^[28] and was featured in an episode of Космос: космическая одиссея.^[29]

In September 2018, the detector was drained for maintenance, affording a team of Австралийская радиовещательная корпорация reporters the opportunity to obtain Разрешение 4K video from within the detection tank.^[30]

Смотрите также

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

Рекомендации

1. S. Fukuda; и другие. (April 2003), "The Super-Kamiokande detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 501 (2–3): 418–462, Bibcode:2003NIMPA.501..418F, Дои:10.1016 / S0168-9002 (03) 00425-X
2. "Physicists Go Deep in Search of Dark Matter".
3. "The Super-Kamiokande detector awaits neutrinos from a supernova".
4. "トップページ - Kamioka Observatory, ICRR, University of Tokyo". www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp.
5. "Physics Home". www.phys.washington.edu.
6. "Super-Kamiokande Photo Gallery". www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp.
7. "Official report on the accident (in PDF format)" (PDF). u-tokyo.ac.jp.
8. "Logbook entry of first neutrinos seen at Super-K generated at KEK". symrymagazine.org.
9. S. Fukuda; и другие. (1 April 2003), "The Super-Kamiokande detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 51 (2–3): 418–462, Bibcode:2003NIMPA.501..418F, Дои:10.1016 / S0168-9002 (03) 00425-X
10. Fukuda, Y .; и другие. (1998). "Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos". Письма с физическими проверками. 81 (8): 1562–1567. arXiv:hep-ex / 9807003. Bibcode:1998ПхРвЛ..81.1562Ф. Дои:10.1103 / PhysRevLett.81.1562.
11. "Accident grounds neutrino lab". Physicsworld.com.
12. "Neutrino hunt resumes, ITER's new confidence and Elsevier's woes". Природа. 566 (7742): 12–13. 2019. Bibcode:2019Natur.566...12.. Дои:10.1038/d41586-019-00440-2. PMID  30728526.
13. K. Abe; и другие. (11 February 2014), "Calibration of the Super-Kamiokande detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 737: 253–272, arXiv:1307.0162, Bibcode:2014NIMPA.737..253A, Дои:10.1016/j.nima.2013.11.081
14. Yamada, S .; Awai, K .; Hayato, Y.; Kaneyuki, K.; Kouzuma, Y.; Nakayama, S .; Nishino, H.; Okumura, K.; Obayashi, Y.; Shimizu, Y.; Shiozawa, M.; Takeda, A .; Heng, Y.; Ян, Б .; Chen, S.; Танака, Т .; Yokozawa, T .; Koshio, Y.; Moriyama, S.; Arai, Y.; Ishikawa, K .; Minegishi, A.; Uchida, T. (2010). "Commissioning of the New Electronics and Online System for the Super-Kamiokande Experiment". IEEE Transactions по ядерной науке. 57 (2): 428–432. Bibcode:2010ITNS...57..428Y. Дои:10.1109/TNS.2009.2034854.
15. H. Nishino; и другие. (2009), "High-speed charge-to-time converter ASIC for the Super-Kamiokande detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 610 (3): 710–717, arXiv:0911.0986, Bibcode:2009NIMPA.610..710N, Дои:10.1016/j.nima.2009.09.026
16. Sturmer, North Asia correspondent Jake; Asada, Yumi; Spraggon, Ben; Gourlay, Colin (17 June 2019). "How do you catch something smaller than an atom that's travelled across galaxies?". ABC News. Получено 25 июн 2019.
17. Xu, Chenyuan (2016). "Current status of SK-Gd project and EGADS". Journal of Physics: Серия конференций. 718: 062070. Дои:10.1088/1742-6596/718/6/062070.
18. Castelvecchi, Davide (27 February 2019). "Gigantic Japanese detector prepares to catch neutrinos from supernovae". Природа. 566 (7745): 438–439. Дои:10.1038/d41586-019-00598-9.
19. Хирата, К. и другие. (6 April 1987), "Observation of a neutrino burst from the supernova SN1987A", Письма с физическими проверками, 58 (14): 1490–1493, Bibcode:1987PhRvL..58.1490H, Дои:10.1103/PhysRevLett.58.1490, PMID  10034450
20. "Super-Kamiokande Official Homepage". www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp.
21. А.Б. Balantekin; и другие. (July 2013), "Neutrino oscillations", Прогресс в физике элементарных частиц и ядерной физике, 71: 150–161, arXiv:1303.2272, Bibcode:2013PrPNP..71..150B, Дои:10.1016/j.ppnp.2013.03.007
22. J.N Bahcall; S Basu; M.H Pinsonneault (1998), "How uncertain are solar neutrino predictions?", Письма по физике B, 433 (1–2): 1–8, arXiv:astro-ph/9805135, Bibcode:1998PhLB..433....1B, Дои:10.1016/S0370-2693(98)00657-1
23. "Super-Kamiokande Official Homepage". www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp.
24. Committee, The T2K Public Website. "The T2K Experiment". t2k-experiment.org.
25. S. Fukuda; и другие. (1 April 2003), "The Super-Kamiokande Detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 501 (2–3): 418–462, Bibcode:2003NIMPA.501..418F, Дои:10.1016 / S0168-9002 (03) 00425-X
26. Kearns; Kajita; Totsuka (August 1999), "Detecting Massive Neutrinos", Scientific American
27. Abe, K .; Hayato, Y.; Iyogi, K.; Kameda, J.; Miura, M.; Moriyama, S.; Накахата, М .; Nakayama, S .; Wendell, R. A.; Sekiya, H.; Shiozawa, M.; Suzuki, Y .; Takeda, A .; Takenaga, Y.; Ueno, K.; Yokozawa, T .; Kaji, H .; Kajita, T .; Kaneyuki, K.; Lee, K. P.; Okumura, K.; McLachlan, T.; Labarga, L.; Kearns, E.; Raaf, J. L.; Stone, J. L.; Sulak, L. R.; Goldhaber, M.; Bays, K.; и другие. (14 октября 2014 г.). "Search for proton decay via p → νKþ using 260 kiloton · year data of Super-Kamiokande". Физический обзор D. 90 (7): 072005. arXiv:1408.1195. Bibcode:2014arXiv1408.1195T. Дои:10.1103/PhysRevD.90.072005.
28. "May 2007, WM Issue #3: ANDREAS GURSKY @ MATTHEW MARKS GALLERY". whitehotmagazine.com.
29. "'Cosmos' Episode 6 Preview: Neil DeGrasse Tyson Explores The Ancient In "Deeper Deeper Deeper Still"". ibtimes.com. Получено 4 мая 2020.
30. Backstory: Once in a decade chance to film inside Super-Kamiokande observatory and you've got one hour, Jake Sturmer, Новости ABC Online, 25 September 2018

внешняя ссылка

• The Super-Kamiokande Homepage