36°25′32.6″с.ш. 137°18′37.1″в.д. / 36.425722°с.ш. 137.310306°в.д. / 36.425722; 137.310306 [1]
Super-Kamiokande (сокращение от Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment , также сокращенно Super-K или SK ; япон .スーパーカミオカンデ) — нейтринная обсерватория, расположенная под горой Икено недалеко от города Хида , префектура Гифу , Япония. Она управляется Институтом исследований космических лучей Токийского университета с помощью международной команды. [2] [3] Она расположена на глубине 1000 м (3300 футов) под землей в шахте Модзуми в районе Камиока города Хида. Обсерватория была разработана для обнаружения нейтрино высоких энергий, поиска распада протонов , изучения солнечных и атмосферных нейтрино и наблюдения за сверхновыми в галактике Млечный Путь .
Super-K расположен на глубине 1000 м (3300 футов) под землей в шахте Mozumi в районе Kamioka города Хида. [4] [5] Он состоит из цилиндрического резервуара из нержавеющей стали высотой 41,4 м (136 футов) и диаметром 39,3 м (129 футов), вмещающего 50 220 тонн (55 360 тонн США) сверхчистой воды . Объем резервуара разделен надстройкой из нержавеющей стали на область внутреннего детектора (ID), которая имеет высоту 36,2 м (119 футов) и диаметр 33,8 м (111 футов), и внешний детектор (OD), который состоит из оставшегося объема резервуара. На надстройке установлены 11 146 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) диаметром 50 см (20 дюймов), обращенных к ID, и 1 885 ФЭУ диаметром 20 см (8 дюймов), обращенных к OD. К надстройке прикреплены Tyvek и черный листовой барьер, оптически разделяющий ID и OD. [ необходима цитата ]
Взаимодействие нейтрино с электронами или ядрами воды может привести к образованию заряженной частицы, которая движется быстрее скорости света в воде , что медленнее скорости света в вакууме . Это создает конус света, известный как черенковское излучение , который является оптическим эквивалентом звукового удара . Черенковский свет проецируется в виде кольца на стенку детектора и регистрируется ФЭУ. Используя информацию о времени и заряде, записанную каждым ФЭУ, определяется вершина взаимодействия, направление кольца и аромат входящего нейтрино. По остроте края кольца можно сделать вывод о типе частицы. Многократное рассеяние электронов велико, поэтому электромагнитные ливни производят размытые кольца. Высокорелятивистские мюоны , напротив, проходят почти прямо через детектор и производят кольца с острыми краями. [ требуется ссылка ]
Строительство предшественника нынешней обсерватории Камиока , Института исследований космических лучей Токийского университета , началось в 1982 году и было завершено в апреле 1983 года. Целью обсерватории было обнаружение существования распада протона , одного из самых фундаментальных вопросов физики элементарных частиц. [6] [7] [8] [9] [10]
Детектор, названный KamiokaNDE (Kamioka Nucleon Decay Experiment), представлял собой резервуар высотой 16,0 м (52 фута) и шириной 15,6 м (51,2 фута), содержащий 3058 тонн (3400 тонн США) чистой воды и около 1000 фотоумножительных трубок (ФЭУ), прикрепленных к его внутренней поверхности. Детектор был модернизирован, начиная с 1985 года, чтобы позволить ему наблюдать солнечные нейтрино. В результате детектор (KamiokaNDE-II) стал достаточно чувствительным, чтобы обнаружить десять нейтрино от SN 1987A , сверхновой , которая наблюдалась в Большом Магеллановом Облаке в феврале 1987 года, и наблюдать солнечные нейтрино в 1988 году. Способность эксперимента Kamiokande наблюдать направление электронов, образующихся при взаимодействии солнечных нейтрино , позволила экспериментаторам впервые напрямую продемонстрировать, что Солнце является источником нейтрино.
Делая открытия в нейтринной астрономии и нейтринной астрофизике, Камиоканде так и не обнаружил распад протона, что было основной целью его создания. Отсутствие каких-либо подобных наблюдений отодвинуло возможный период полураспада любого потенциального распада протона достаточно далеко, чтобы исключить некоторые модели GUT , которые допускают такой распад. Другие модели предсказывают более длительный период полураспада с более редкими распадами.
Чтобы увеличить шанс обнаружения таких распадов, требовался более крупный детектор. Более высокая чувствительность также была необходима для получения более высокой статистической уверенности в других обнаружениях. Это привело к проектированию и созданию Super-Kamiokande, с объемом воды в пятнадцать раз большим и количеством ФЭУ в десять раз большим, чем у Kamiokande.
Проект «Супер-Камиоканде» был одобрен Министерством образования, науки, спорта и культуры Японии в 1991 году на общую сумму около 100 миллионов долларов. Американская часть предложения, которая в первую очередь касалась строительства системы OD, была одобрена Министерством энергетики США в 1993 году на сумму 3 миллиона долларов. Кроме того, США также предоставили около 2000 20-сантиметровых ФЭУ, переработанных в ходе эксперимента IMB . [11]
Super-Kamiokande начал работу в 1996 году и объявил о первом доказательстве нейтринной осцилляции в 1998 году. [12] Это было первое экспериментальное наблюдение, подтверждающее теорию о том, что нейтрино имеет ненулевую массу , возможность, о которой теоретики размышляли годами. Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена исследователю Super-Kamiokande Такааки Кадзите вместе с Артуром Макдональдом в нейтринной обсерватории Садбери за их работу, подтверждающую нейтринную осцилляцию.
12 ноября 2001 года около 6600 фотоумножительных трубок, стоимостью около 3000 долларов каждая, [13] в детекторе Супер-Камиоканде взорвались , по-видимому, в результате цепной реакции или каскадного отказа , поскольку ударная волна от сотрясения каждой взрывающейся трубки расколола соседние. Детектор был частично восстановлен путем перераспределения фотоумножительных трубок, которые не взорвались, и путем добавления защитных акриловых оболочек, которые, как надеются, предотвратят повторение другой цепной реакции (Супер-Камиоканде-II).
В июле 2005 года началась подготовка к восстановлению детектора до его первоначального вида путем переустановки около 6000 ФЭУ. Работа была завершена в июне 2006 года, после чего детектор был переименован в Super-Kamiokande-III. На этом этапе эксперимента собирались данные с октября 2006 года по август 2008 года. В то время были проведены значительные обновления электроники. После обновления новый этап эксперимента получил название Super-Kamiokande-IV. SK-IV собирал данные о различных естественных источниках нейтрино, а также выступал в качестве дальнего детектора для эксперимента по осцилляции нейтрино с длинной базой Tokai-to-Kamioka (T2K).
SK-IV продолжал работать до июня 2018 года. После этого осенью 2018 года детектор прошел полную реконструкцию. 29 января 2019 года детектор возобновил сбор данных. [14]
В 2020 году детектор был модернизирован для проекта SuperKGd путем добавления соли гадолиния в сверхчистую воду, чтобы обеспечить обнаружение антинейтрино от взрывов сверхновых. [15]
Super-Kamiokande (SK) — это черенковский детектор, используемый для изучения нейтрино из разных 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, период, известный как «SK-I». Поскольку во время технического обслуживания произошла авария, эксперимент возобновился в октябре 2002 года только с половиной от первоначального числа ID-PMT. [16]
Для предотвращения дальнейших аварий все ID-PMT были покрыты армированным волокном пластиком с акриловыми передними окнами. Эта фаза с октября 2002 года до другого закрытия для полной реконструкции в октябре 2005 года называется «SK-II». В июле 2006 года эксперимент возобновился с полным числом PMT и был остановлен в сентябре 2008 года для модернизации электроники. Этот период был известен как «SK-III». Период после 2008 года известен как «SK-IV». Фазы и их основные характеристики обобщены в таблице 1. [16]
На предыдущих этапах ID-PMT обрабатывали сигналы с помощью специальных электронных модулей, называемых аналоговыми синхронизирующими модулями (ATM). В этих модулях содержатся преобразователи заряда в аналог (QAC) и преобразователи времени в аналог (TAC), которые имели динамический диапазон от 0 до 450 пикокулон (пКл) с разрешением 0,2 пКл для заряда и от −300 до 1000 нс с разрешением 0,4 нс для времени. Для каждого входного сигнала PMT имелось две пары QAC/TAC, что предотвращало мертвое время и позволяло считывать несколько последовательных попаданий, которые могли возникнуть, например, от электронов, являющихся продуктами распада останавливающихся мюонов. [16]
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 с Ethernet (QBEE). [17] QBEE обеспечивает высокоскоростную обработку сигналов путем объединения конвейерных компонентов. Эти компоненты представляют собой недавно разработанный специальный преобразователь заряда во время (QTC) в форме специализированной интегральной схемы (ASIC), многотактный преобразователь времени в цифру (TDC) и программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA). [18] Каждый вход QTC имеет три диапазона усиления «Малый», «Средний» и «Большой» — разрешения для каждого показаны в таблице. [16]
Для каждого диапазона аналого-цифровое преобразование проводится отдельно, но используется только 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. Разрешение заряда и времени QBEE на уровне одного фотоэлектрона составляет 0,1 фотоэлектрона и 0,3 нс соответственно, оба лучше, чем собственное разрешение 20-дюймовых ФЭУ, используемых в SK. QBEE достигает хорошей линейности заряда в широком динамическом диапазоне. Интегральная линейность заряда электроники лучше 1%. Пороги дискриминаторов в QTC установлены на −0,69 мВ (эквивалентно 0,25 фотоэлектрона, что совпадает с таковым для SK-III). Этот порог был выбран для воспроизведения поведения детектора во время его предыдущих фаз на основе ATM. [16]
Гадолиний был введен в резервуар для воды Супер-Камиоканде в 2020 году для того, чтобы отличить нейтрино от антинейтрино, которые возникают при взрывах сверхновых. [15] [19] Это известно как проект SK-Gd (другие названия включают SuperKGd , SUPERK-GD и похожие названия). [20] На первом этапе проекта 1,3 тонны соли Gd (октагидрат сульфата гадолиния, Gd(SO 4 ) 3 ⋅(H 2 O) 8 ) были добавлены в сверхчистую воду в 2020 году, что дало 0,02% (по массе) соли. Это количество составляет примерно одну десятую от запланированной конечной целевой концентрации. [15] [19]
Ядерный синтез на Солнце и других звездах превращает протоны в нейтроны с испусканием нейтрино. Бета-распад на Земле и в сверхновых превращает нейтроны в протоны с испусканием антинейтрино. Супер-Камиоканде обнаруживает электроны, выбитые из молекулы воды, что приводит к вспышке синего черенковского света, и они производятся как нейтрино, так и антинейтрино. Более редкий случай — когда антинейтрино взаимодействует с протоном в воде, образуя нейтрон и позитрон. [21]
Гадолиний имеет сродство к нейтронам и производит яркую вспышку гамма-лучей, когда поглощает один из них. Добавление гадолиния в Супер-Камиоканде позволяет ему различать нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино производят двойную вспышку света с интервалом около 30 микросекунд, первую, когда нейтрино сталкивается с протоном, и вторую, когда гадолиний поглощает нейтрон. [19] Яркость первой вспышки позволяет физикам различать антинейтрино низкой энергии от Земли и антинейтрино высокой энергии от сверхновых. Помимо наблюдения за нейтрино от далеких сверхновых, Супер-Камиоканде сможет подать сигнал тревоги, чтобы информировать астрономов по всему миру о наличии сверхновой в Млечном Пути в течение одной секунды с момента ее возникновения.
Самая большая проблема заключалась в том, можно ли непрерывно фильтровать воду детектора для удаления примесей без удаления гадолиния в то же время. 200-тонный прототип под названием EGADS с добавлением сульфата гадолиния был установлен на руднике Камиока и проработал несколько лет. Он завершил работу в 2018 году и показал, что новая система очистки воды удалит примеси, сохраняя при этом стабильную концентрацию гадолиния. Он также показал, что сульфат гадолиния не будет существенно ухудшать прозрачность в остальном сверхчистой воды или вызывать коррозию или отложения на существующем оборудовании или на новых клапанах, которые позже будут установлены в Гипер-Камиоканде . [20] [21]
Внешняя оболочка резервуара для воды представляет собой цилиндрический резервуар из нержавеющей стали диаметром 39 м и высотой 42 м. Резервуар является самонесущим, с бетонной засыпкой у грубо отесанных каменных стен для противодействия давлению воды при заполнении резервуара. Вместимость резервуара превышает 50 килотонн воды. [11]
Базовым блоком для ID PMT является «супермодуль», рама, которая поддерживает массив 3×4 PMT. Рамы супермодуля имеют высоту 2,1 м, ширину 2,8 м и толщину 0,55 м. Эти рамы соединяются друг с другом как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Затем вся опорная конструкция соединяется с нижней частью резервуара и с верхней конструкцией. Помимо того, что они служат жесткими структурными элементами, супермодули упрощают первоначальную сборку ID.
Каждый супермодуль был собран на полу резервуара, а затем поднят в свое конечное положение. Таким образом, ID фактически облицован супермодулями. Во время установки ID PMT были предварительно собраны в блоки по три для простоты установки. Каждый супермодуль имеет два OD PMT, прикрепленных к его задней стороне. Опорная конструкция для нижних PMT прикреплена к нижней части резервуара из нержавеющей стали одной вертикальной балкой на раму супермодуля. Опорная конструкция для верхней части резервуара также используется в качестве опорной конструкции для верхних PMT.
Кабели от каждой группы из 3 ФЭУ связаны вместе. Все кабели идут вверх по внешней поверхности опорной конструкции ФЭУ, т. е. по плоскости OD ФЭУ, проходят через кабельные порты в верхней части резервуара и затем направляются в электронные хижины.
Толщина OD немного варьируется, но в среднем составляет около 2,6 м сверху и снизу и 2,7 м на стенке ствола, что дает общую массу OD в 18 килотонн. ФЭУ OD были распределены следующим образом: 302 на верхнем слое, 308 на нижнем и 1275 на стенке ствола.
Для защиты от низкоэнергетического фонового излучения от продуктов распада радона в воздухе, крыша полости и туннели доступа были запечатаны покрытием под названием Mineguard. Mineguard — это напыляемая полиуретановая мембрана, разработанная для использования в качестве системы поддержки горных пород и барьера для радонового газа в горнодобывающей промышленности. [11]
Среднее геомагнитное поле составляет около 450 мГс и наклонено примерно на 45° относительно горизонта в месте расположения детектора. 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 синхронизацию в ФЭУ. Чтобы противодействовать этому, вокруг внутренних поверхностей резервуара расположены 26 наборов горизонтальных и вертикальных катушек Гельмгольца. При их работе среднее поле в детекторе уменьшается примерно до 50 мГс. Магнитное поле в различных местах расположения ФЭУ измерялось до того, как резервуар был заполнен водой. [11]
Стандартный опорный объем приблизительно 22,5 килотонн определяется как область внутри поверхности, отстоящая на 2,00 м от стены ID, чтобы минимизировать аномальный отклик, вызванный естественной радиоактивностью в окружающей породе.
Онлайн-монитор, расположенный в диспетчерской, считывает данные с хост-компьютера DAQ через соединение FDDI. Он предоставляет операторам смены гибкий инструмент для выбора функций отображения событий, создает онлайн-гистограммы и гистограммы недавней истории для мониторинга производительности детектора и выполняет ряд дополнительных задач, необходимых для эффективного мониторинга состояния и диагностики проблем детектора и DAQ. События в потоке данных могут быть сняты, а элементарные инструменты анализа могут быть применены для проверки качества данных во время калибровок или после изменений в оборудовании или онлайн-программном обеспечении. [11]
Для максимально эффективного и быстрого обнаружения и идентификации таких всплесков Super-Kamiokande оснащен системой онлайн-мониторинга сверхновых. Ожидается около 10 000 событий в Super-Kamiokande для взрыва сверхновой в центре Галактики Млечный Путь. Super-Kamiokande может измерить всплеск без мертвого времени, до 30 000 событий в течение первой секунды взрыва. Теоретические расчеты взрывов сверхновых предполагают, что нейтрино испускаются в течение общей временной шкалы в десятки секунд, причем около половины из них испускаются в течение первых одной или двух секунд. Super-K будет искать кластеры событий в определенных временных окнах 0,5, 2 и 10 с. [11]
Данные передаются в процесс анализа SN-watch в реальном времени каждые 2 мин, и анализ обычно завершается за 1 мин. Когда обнаруживаются кандидаты на событие сверхновой (SN), вычисляется, если кратность события больше 16, где определяется как среднее пространственное расстояние между событиями, т.е.
Нейтрино от сверхновых взаимодействуют со свободными протонами, производя позитроны, которые распределены в детекторе настолько равномерно, что для событий SN должны быть значительно больше, чем для обычных пространственных скоплений событий. В детекторе Супер-Камиоканде для равномерно распределенных событий Монте-Карло показывает, что не существует хвоста ниже ⩽1000 см. Для класса всплесков «тревога» события должны иметь ⩾900 см для 25⩽ ⩽40 или ⩾750 см для >40. Эти пороги были определены путем экстраполяции из данных SN1987A. [11] [22]
Система запустит специальные процессы для проверки мюонов расщепления, когда кандидаты на взрыв соответствуют критериям «тревоги», и примет первичное решение для дальнейшей обработки. Если кандидат на взрыв проходит эти проверки, данные будут повторно проанализированы с использованием автономного процесса, и окончательное решение будет принято в течение нескольких часов. Во время работы Super-Kamiokande I этого никогда не происходило. Одной из важных возможностей [Super-Kamiokande] является восстановление направления на сверхновую. При рассеянии нейтрино и электронов, в случае сверхновой в центре Галактики Млечный Путь ожидается в общей сложности 100–150 событий. [11] Направление на сверхновую можно измерить с угловым разрешением
где N — число событий, произведенных ν–e-рассеянием. Угловое разрешение, таким образом, может быть таким же хорошим, как δθ~3° для сверхновой в центре Галактики Млечный Путь. [11] В этом случае могут быть предоставлены не только временной профиль и энергетический спектр нейтринного всплеска, но и информация о направлении сверхновой.
Существует процесс, называемый монитором "медленного контроля", как часть системы онлайн-мониторинга, который отслеживает состояние систем высокого напряжения, температуру электронных ящиков и состояние компенсирующих катушек, используемых для подавления геомагнитного поля. При обнаружении любого отклонения от норм он оповестит физиков, чтобы они провели расследование, предприняли соответствующие действия или уведомили экспертов. [11]
Для мониторинга и управления автономными процессами, которые анализируют и передают данные, был разработан сложный набор программного обеспечения. Этот монитор позволяет неспециалистам по физике смены выявлять и устранять общие проблемы, чтобы минимизировать время простоя, а программный пакет внес значительный вклад в бесперебойную работу эксперимента и его общую высокую эффективность в течение всего срока службы для сбора данных. [11]
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 достигают Земли за восемь минут из-за отсутствия у них взаимодействия с материей. Таким образом, солнечные нейтрино позволяют нам наблюдать внутреннее Солнце в «реальном времени», которое для видимого света занимает миллионы лет. [23]
В 1999 году Супер-Камиоканде обнаружил убедительные доказательства нейтринных осцилляций, которые успешно объяснили проблему солнечных нейтрино . Солнце и около 80% видимых звезд производят свою энергию путем преобразования водорода в гелий через
МэВ
Следовательно, звезды являются источником нейтрино, включая Солнце . Эти нейтрино в основном проходят через pp-цепочку в меньших массах, а для более холодных звезд в основном через CNO-цикл более тяжелых масс.
В начале 1990-х годов, 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 указали на закономерность потоков нейтрино, которая не была совместима с какой-либо корректировкой SSM. Это, в свою очередь, помогло мотивировать новое поколение невероятно эффективных активных детекторов. Эти эксперименты — Super-Kamiokande, нейтринная обсерватория Садбери (SNO) и Borexino . Super-Kamiokande смог обнаружить события упругого рассеяния (ES)
который из-за вклада заряженного тока в рассеяние имеет относительную чувствительность к s и тяжелым нейтрино ~7:1. [24] Поскольку направление электрона отдачи ограничено очень прямым направлением, направление нейтрино сохраняется в направлении электронов отдачи. Здесь указано, где - угол между направлением электронов отдачи и положением Солнца. Это показывает, что поток солнечных нейтрино может быть рассчитан как . По сравнению с SSM, отношение равно . [25] Результат ясно указывает на дефицит солнечных нейтрино.
Атмосферные нейтрино — это вторичные космические лучи, образующиеся в результате распада частиц, возникающих в результате взаимодействия первичных космических лучей (в основном протонов ) с атмосферой Земли . Наблюдаемые события атмосферных нейтрино делятся на четыре категории. Полностью удерживаемые (FC) события имеют все свои треки во внутреннем детекторе, в то время как частично удерживаемые (PC) события имеют выходящие треки из внутреннего детектора. Восходящие сквозные мюоны (UTM) образуются в породе под детектором и проходят через внутренний детектор. Восходящие останавливающиеся мюоны (USM) также образуются в породе под детектором, но останавливаются во внутреннем детекторе.
Число наблюдаемых нейтрино предсказывается равномерно независимо от зенитного угла. Однако Супер-Камиоканде обнаружил, что число восходящих мюонных нейтрино (генерируемых на другой стороне Земли) составляет половину числа нисходящих мюонных нейтрино в 1998 году. Это можно объяснить тем, что нейтрино изменяются или колеблются в некоторые другие нейтрино, которые не обнаруживаются. Это называется осцилляциями нейтрино ; это открытие указывает на конечную массу нейтрино и предполагает расширение Стандартной модели. Нейтрино колеблются в трех разновидностях, и все нейтрино имеют свою массу покоя. Более поздний анализ в 2004 году предположил синусоидальную зависимость частоты событий как функции «Длина/Энергия», что подтвердило осцилляции нейтрино. [26]
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 нейтринных осцилляций в условиях, когда и источник, и детектор находятся под контролем. Детектор Супер-Камиоканде играет важную роль в эксперименте как дальний детектор. Более поздний эксперимент T2K продолжился как второе поколение, следующее за экспериментом K2K .
Эксперимент T2K (Tokai to Kamioka) — это нейтринный эксперимент, в котором приняли участие несколько стран, включая Японию , США и другие. Целью T2K является более глубокое понимание параметров нейтринных осцилляций . T2K провел поиск осцилляций от мюонных нейтрино до электронных нейтрино и объявил о первых экспериментальных признаках их существования в июне 2011 года. [27] Детектор Super-Kamiokande играет роль «дальнего детектора». Детектор Super-K будет регистрировать черенковское излучение мюонов и электронов, создаваемое взаимодействием нейтрино высокой энергии с водой.
Протон считается абсолютно стабильным в Стандартной модели . Однако Великие объединенные теории (GUT) предсказывают, что протоны могут распадаться на более легкие энергичные заряженные частицы, такие как электроны, мюоны, пионы или другие, которые можно наблюдать. Камиоканде помогает исключить некоторые из этих теорий. Супер-Камиоканде в настоящее время является крупнейшим детектором для наблюдения за распадом протона. [28]
С 2002 года 50 килотонн чистой воды непрерывно перерабатывались со скоростью около 30 тонн в час в закрытой системе. Теперь сырая шахтная вода рециркулируется через первый этап (фильтры частиц и RO) в течение некоторого времени, прежде чем будут применены другие процессы, которые включают дорогостоящие расходные материалы. Первоначально вода из резервуара Super-Kamiokande пропускается через номинальные сетчатые фильтры 1 мкм для удаления пыли и частиц, которые снижают прозрачность воды для черенковских фотонов и обеспечивают возможный источник радона внутри детектора Super-Kamiokande. [11]
Теплообменник используется для охлаждения воды с целью снижения уровня темного шума ФЭУ, а также подавления роста бактерий . Выжившие бактерии уничтожаются на этапе УФ-стерилизации. Картриджный полировочный фильтр (КП) устраняет тяжелые ионы, которые также снижают прозрачность воды и содержат радиоактивные частицы. Модуль КП увеличивает типичное удельное сопротивление рециркулирующей воды с 11 МОм см до 18,24 МОм см, приближаясь к химическому пределу. [11]
Первоначально в систему был включен ионообменник (IE), но он был удален, когда было обнаружено, что смола IE является значительным источником радона. Шаг обратного осмоса (RO), который удаляет дополнительные частицы, и введение в воду воздуха с пониженным содержанием Rn, что увеличивает эффективность удаления радона на следующем этапе вакуумного дегазатора (VD), были установлены в 1999 году. После этого VD удаляет растворенные в воде газы. [11]
Эти растворенные в воде газы являются серьезным источником фоновых событий для солнечных нейтрино в диапазоне энергий МэВ, а растворенный кислород стимулирует рост бактерий. Эффективность удаления составляет около 96%. Затем вводится ультрафильтр (УФ) для удаления частиц, минимальный размер которых соответствует молекулярной массе приблизительно 10 000 (или диаметру около 10 нм) благодаря мембранным фильтрам с полыми волокнами. Наконец, мембранный дегазатор (МД) удаляет растворенный в воде радон, а измеренная эффективность удаления радона составляет около 83%. Концентрация радоновых газов миниатюризируется детекторами в реальном 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, выходящей из системы, 0,4 ± 0,2 мБк м −3 . [11]
Очищенный воздух подается в зазор между поверхностью воды и верхней частью резервуара Супер-Камиоканде. Система очистки воздуха содержит три компрессора, буферный резервуар, осушители, фильтры и фильтры с активированным углем . Всего используется 8 м 3 активированного угля. Последние 50 л угля охлаждаются до −40 °C для повышения эффективности удаления радона. Типичные скорости потока, точка росы и остаточная концентрация радона составляют 18 м 3 /ч, −65 °C (@+1 кг/см 2 ) и несколько мБк м −3 соответственно. Типичная концентрация радона в воздухе купола измерена как 40 Бк м −3 . [11]
Уровень радона в воздухе шахтного туннеля, около купола резервуара, обычно достигает 2000–3000 Бк м −3 в теплый сезон, с мая по октябрь, в то время как с ноября по апрель уровень радона составляет приблизительно 100–300 Бк м −3 . Это изменение обусловлено эффектом дымохода в схеме вентиляции системы шахтного туннеля; в холодное время года свежий воздух поступает во вход туннеля Атоцу, который представляет собой относительно короткий путь через обнаженную породу перед достижением экспериментальной зоны, в то время как летом воздух вытекает из туннеля, забирая богатый радоном воздух из глубины шахты мимо экспериментальной зоны. [11]
Для поддержания уровня радона в купольной зоне и системе очистки воды ниже 100 Бк м −3 свежий воздух постоянно закачивается со скоростью около 10 м3 / мин извне шахты, что создает небольшое избыточное давление в экспериментальной зоне Супер-Камиоканде для минимизации попадания окружающего воздуха из шахты. «Радоновая хижина» (Rn Hut) была построена около входа в туннель Атоцу для размещения оборудования для системы подачи воздуха в купол: воздушного насоса мощностью 40 л.с. с производительностью 10 м3 / мин / 15 PSI, осушителя воздуха, угольных фильтровальных баков и управляющей электроники. Осенью 1997 года была установлена удлиненная впускная воздухопроводная труба в месте, расположенном примерно в 25 м над входом в туннель Атоцу. Этот низкий уровень удовлетворяет этим целям качества воздуха, так что операции по регенерации угольных фильтров больше не потребуются. [11]
Офлайн-обработка данных производится как в Камиоке, так и в США.
Система обработки данных в автономном режиме расположена в Кенкьюто и подключена к детектору Супер-Камиоканде с помощью оптоволоконной линии FDDI длиной 4 км. Поток данных из онлайн-системы составляет в среднем 450 кбайт/с , что соответствует 40 Гбайт / день или 14 Тбайт/год . Магнитные ленты используются в автономной системе для хранения данных, и большая часть анализа выполняется здесь. Система обработки в автономном режиме разработана независимой от платформы, поскольку для анализа данных используются различные компьютерные архитектуры. По этой причине структуры данных основаны на банковской системе ZEBRA, разработанной в ЦЕРНе, а также на системе обмена ZEBRA. [11]
Данные о событиях из онлайн-системы сбора данных Super-Kamiokande в основном содержат список количества сработавших ФЭУ, TDC и ADC, временные метки GPS и другие служебные данные. Для анализа солнечных нейтрино снижение порога энергии является постоянной целью, поэтому это постоянные усилия по повышению эффективности алгоритмов редукции; однако изменения в калибровках или методах редукции требуют повторной обработки более ранних данных. Обычно 10 Тбайт необработанных данных обрабатываются каждый месяц, так что большой объем мощности ЦП и высокоскоростной доступ ввода-вывода к необработанным данным. Также необходима обширная обработка моделирования Монте-Карло . [11]
Оффлайновая система была разработана для удовлетворения всех этих потребностей: ленточного хранилища большой базы данных (14 Тбайт в год), стабильной полуреальной обработки, почти непрерывной повторной обработки и моделирования Монте-Карло. Компьютерная система состоит из 3 основных подсистем: сервера данных, фермы ЦП и сети в конце Run I. [11]
Система, предназначенная для обработки данных вне офиса в автономном режиме, была создана в Университете Стоуни-Брук в Стоуни-Брук, штат Нью-Йорк, для обработки необработанных данных, отправленных из Камиоки. Большая часть переформатированных необработанных данных копируется из системного объекта в Камиоке. В Стоуни-Брук была создана система для анализа и дальнейшей обработки. В Стоуни-Брук необработанные данные обрабатывались с помощью многоленточного DLT-накопителя. Процессы обработки данных на первом этапе были выполнены для анализа высокой энергии и для анализа низкой энергии.
Сокращение данных для анализа высоких энергий было в основном для событий атмосферных нейтрино и поиска распада протона, тогда как анализ низких энергий был в основном для событий солнечных нейтрино. Сокращенные данные для анализа высоких энергий были далее отфильтрованы другими процессами сокращения, и полученные данные были сохранены на дисках. Сокращенные данные для анализа низких энергий были сохранены на лентах DLT и отправлены в Калифорнийский университет в Ирвайне для дальнейшей обработки.
Эта система анализа смещения продолжалась в течение трех лет, пока их цепочки анализа не доказали, что дают эквивалентные результаты. Таким образом, чтобы ограничить рабочую силу, сотрудничество было сконцентрировано на одном комбинированном анализе [29]
В 1998 году Super-K обнаружил первые убедительные доказательства нейтринных осцилляций , наблюдая за тем, как мюонные нейтрино превращаются в тау-нейтрино. [30]
SK установила ограничения на время жизни протона и другие редкие распады и свойства нейтрино. SK установила нижнюю границу для протонов, распадающихся на каоны, 5,9 × 10 33 лет [31]
В январе 2023 года на основе данных, собранных в период 1996–2018 годов, Super-Kamiokande сообщил о новых пределах для темной материи с энергиями ниже ГэВ , исключая сечение упругого рассеяния темной материи на нуклонах между и с массами от до . [4] [5]
Супер-Камиоканде является объектом фотографии Андреаса Гурски 2007 года «Камиоканде» [32] и был показан в эпизоде сериала «Космос: Космическая и временная одиссея» [33] .
В сентябре 2018 года детектор был осушен для проведения технического обслуживания, что предоставило группе репортеров Австралийской вещательной корпорации возможность получить видео в разрешении 4K изнутри резервуара для обнаружения. [34]
{{cite web}}: |first1=имеет общее название ( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)