Супер-Камиоканде

Японская нейтринная обсерватория

36 ° 25'32,6 "N 137 ° 18'37,1" E  /  36,425722 ° N 137,310306 ° E  / 36,425722; 137.310306 ^[1]

Супер-Камиоканде (сокращение от Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment , также сокращенно Super-K или SK ; японский :スーパーカミオカンデ) — нейтринная обсерватория , расположенная под горой Икено недалеко от города Хида , префектура Гифу , Япония. Он управляется Институтом исследования космических лучей Токийского университета при помощи международной команды. ^{[2] [3]} Он расположен на глубине 1000 м (3300 футов) под землей в шахте Модзуми в районе Камиока Хиды. Обсерватория была предназначена для обнаружения нейтрино высоких энергий, для поиска распада протона , изучения солнечных и атмосферных нейтрино , а также наблюдения за сверхновыми в Галактике Млечный Путь .

Описание

Super-K расположен на глубине 1000 м (3300 футов) под землей в шахте Модзуми в районе Камиока Хиды. ^{[4] [5]} Он состоит из цилиндрического резервуара из нержавеющей стали высотой 41,4 м (136 футов) и диаметром 39,3 м (129 футов), вмещающего 50 220 метрических тонн (55 360 тонн США) сверхчистой воды . Объем резервуара разделен надстройкой из нержавеющей стали на внутреннюю зону детектора (ID) высотой 36,2 м (119 футов) и диаметром 33,8 м (111 футов) и внешний детектор (OD), который состоит из оставшейся части резервуара. объем бака. На надстройке установлены 11 146 фотоумножителей (ФЭУ) диаметром 50 см (20 дюймов), обращенных к внутреннему диаметру, и 1885 ФЭУ диаметром 20 см (8 дюймов), обращенных к наружному диаметру. К надстройке прикреплен барьер из Тайвека и черного листа, который оптически разделяет внутреннюю и наружную части. ^{[ нужна 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 , которое является оптическим эквивалентом звукового удара . Черенковский свет проецируется в виде кольца на стенку детектора и регистрируется ФЭУ. Используя информацию о времени и заряде, записанную каждым ФЭУ, определяется вершина взаимодействия, направление кольца и аромат падающего нейтрино. По остроте края кольца можно определить тип частицы. Многократное рассеяние электронов велико, поэтому электромагнитные ливни создают нечеткие кольца. Высокорелятивистские мюоны , напротив, проходят через детектор почти прямо и создают кольца с острыми краями . ^{[ нужна цитата ]}

История

Модель КамиокаNDE

Строительство предшественника нынешней обсерватории Камиока , Института исследования космических лучей Токийского университета , началось в 1982 году и было завершено в апреле 1983 года. Целью обсерватории было обнаружение существования распада протона , одного из наиболее фундаментальных вопросов физика элементарных частиц. ^{[6] [7] [8] [9] [10]}

Детектор, названный KamiokaNDE в честь эксперимента по распаду нуклона Камиока, представлял собой резервуар высотой 16,0 м (52 фута) и шириной 15,6 м (51,2 фута), содержащий 3058 метрических тонн (3400 тонн США) чистой воды и около 1000 фотоумножительных трубок ( ФЭУ), прикрепленные к его внутренней поверхности. Начиная с 1985 года детектор был модернизирован, чтобы позволить ему наблюдать солнечные нейтрино. В результате детектор (KamiokaNDE-II) стал достаточно чувствительным, чтобы обнаружить десять нейтрино от SN 1987A , сверхновой , которая наблюдалась в Большом Магеллановом Облаке в феврале 1987 года, и наблюдать солнечные нейтрино в 1988 году. Эксперимент по наблюдению направления электронов, образующихся при взаимодействии солнечных нейтрино , позволил экспериментаторам впервые напрямую продемонстрировать, что Солнце является источником нейтрино.

Совершая открытия в нейтринной астрономии и нейтринной астрофизике, Камиоканде ни разу не обнаружил распад протона, что было основной целью его создания. Отсутствие каких-либо подобных наблюдений отодвинуло возможный период полураспада любого потенциального распада протона достаточно далеко, чтобы исключить некоторые модели Великого объединения , которые допускают такой распад. Другие модели предсказывают более длительный период полураспада и более редкие распады. Чтобы увеличить вероятность обнаружения таких распадов, потребуется детектор большего размера. Более высокая чувствительность также была необходима для получения более высокой статистической достоверности других обнаружений. Это привело к проектированию и строительству Супер-Камиоканде, в котором объем воды в пятнадцать раз больше, а ФЭУ в десять раз больше, чем в Камиоканде.

Проект Супер-Камиоканде был одобрен Министерством образования, науки, спорта и культуры Японии в 1991 году на общую сумму около 100 миллионов долларов. Американская часть предложения, которая заключалась в первую очередь в создании системы OD, была одобрена Министерством энергетики США в 1993 году за 3 миллиона долларов. Кроме того, США также предоставили около 2000 ФЭУ диаметром 20 см, переработанных в ходе эксперимента IMB . ^[11]

Супер-Камиоканде начал работу в 1996 году и объявил о первых доказательствах нейтринных осцилляций в 1998 году ^{. [12]} Это было первое экспериментальное наблюдение, подтверждающее теорию о том, что нейтрино имеет ненулевую массу - возможность, о которой теоретики размышляли в течение многих лет. Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена исследователю Супер-Камиоканде Такааки Каджита вместе с Артуром Макдональдом из Нейтринной обсерватории Садбери за работу по подтверждению нейтринных осцилляций.

12 ноября 2001 года около 6600 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 взорвавшейся трубки разрушила ее соседи. Детектор был частично восстановлен путем перераспределения трубок фотоумножителей, которые не взорвались, и добавления защитных акриловых оболочек, которые, как надеются, предотвратят повторение еще одной цепной реакции (Супер-Камиоканде-II).

В июле 2005 года началась подготовка к восстановлению детектора в первоначальном виде путем переустановки около 6000 ФЭУ. Работа была завершена в июне 2006 года, после чего детектор был переименован в Супер-Камиоканде-III. На этом этапе эксперимента собирались данные с октября 2006 года по август 2008 года. Тогда в электронике были сделаны значительные обновления. После модернизации новый этап эксперимента получил название Супер-Камиоканде-IV. SK-IV собирал данные о различных естественных источниках нейтрино, а также выступал в качестве дальнего детектора в эксперименте по осцилляциям нейтрино с длинной базой Токай-Камиока (T2K).

СК-IV продолжался до июня 2018 года. После этого осенью 2018 года детектор прошел полный ремонт. 29 января 2019 года детектор возобновил сбор данных. ^[14]

В 2020 году детектор был модернизирован для проекта SuperKGd путем добавления в сверхчистую воду соли Gd, чтобы обеспечить обнаружение антинейтрино от взрывов сверхновых. ^[15]

Детектор

Супер-Камиоканде (СК) — черенковский детектор, используемый для изучения нейтрино из различных источников, включая Солнце, сверхновые, атмосферу и ускорители. Его также используют для поиска распада протона. Эксперимент начался в апреле 1996 года и был остановлен на техническое обслуживание в июле 2001 года, в период, известный как «СК-I». Поскольку во время технического обслуживания произошла авария, эксперимент возобновился в октябре 2002 года с использованием только половины первоначального количества ID-ФЭУ. Чтобы предотвратить дальнейшие несчастные случаи, все ID-ФЭУ были покрыты армированным волокном пластиком с акриловыми передними окнами. Этот этап с октября 2002 г. до следующего закрытия всей реконструкции в октябре 2005 г. называется «SK-II». В июле 2006 г. эксперимент возобновился с полным количеством ФЭУ и был остановлен в сентябре 2008 г. для модернизации электроники. Этот период был известен как «СК-III». Период после 2008 года известен как «СК-IV». Фазы и их основные характеристики сведены в таблицу 1. ^[16]

Модернизация СК-IV

На предыдущих этапах ID-PMT обрабатывали сигналы с помощью специальных электронных модулей, называемых аналоговыми модулями синхронизации (ATM). В этих модулях содержатся зарядо-аналоговые преобразователи (QAC) и время-аналоговые преобразователи (TAC), которые имели динамический диапазон от 0 до 450 пикокулон (пКл) с разрешением 0,2 пКл по заряду и от −300 до 1000 нс при Разрешение 0,4 нс по времени. Для каждого входного сигнала ФЭУ имелось две пары QAC/TAC, что предотвращало мертвое время и позволяло считывать множественные последовательные попадания, которые могут возникнуть, например, от электронов, которые являются продуктами распада останавливающихся мюонов. ^[16]

Система SK была модернизирована в сентябре 2008 года, чтобы сохранить стабильность в следующем десятилетии и повысить производительность систем сбора данных, электроники на базе QTC с Ethernet (QBEE). ^[17] QBEE обеспечивает высокоскоростную обработку сигналов путем объединения конвейерных компонентов. Эти компоненты представляют собой недавно разработанный специальный преобразователь заряд-время (QTC) в форме специализированной интегральной схемы (ASIC), многоходовой преобразователь время-цифра (TDC) и программируемую пользователем вентильную матрицу. (ПЛИС). ^[18] Каждый вход QTC имеет три диапазона усиления: «Маленький», «Средний» и «Большой» – разрешения для каждого из них показаны в таблице. ^[16]

Для каждого диапазона аналого-цифровое преобразование проводится отдельно, но используется только диапазон с самым высоким разрешением, не насыщающийся. Общий динамический диапазон заряда QTC составляет 0,2–2500 пКл, что в пять раз больше, чем у старого. Зарядовое и временное разрешение QBEE на уровне одного фотоэлектрона составляет 0,1 фотоэлектрона и 0,3 нс соответственно, оба лучше, чем собственное разрешение 20-дюймового прибора. ФЭУ, используемые в СК. QBEE обеспечивает хорошую линейность заряда в широком динамическом диапазоне. Интегрированная линейность заряда электроники лучше 1%. Пороги дискриминаторов в QTC установлены равными -0,69 мВ (что эквивалентно 0,25 фотоэлектрона, что такое же, как и для SK-III). Этот порог был выбран для воспроизведения поведения детектора на предыдущих этапах работы на основе ATM. ^[16]

СуперКГд

Гадолиний был введен в резервуар с водой Супер-Камиоканде в 2020 году, чтобы отличать нейтрино от антинейтрино, возникающих в результате взрывов сверхновых. ^{[15] [19]} Это известно как проект SK-Gd (другие названия включают SuperKGd , SUPERK-GD и подобные названия). ^[20] На первом этапе проекта в 2020 году в сверхчистую воду было добавлено 1,3 тонны соли Gd (октагидрат сульфата гадолиния, Gd(SO ₄ ) ₃ ⋅(H ₂ O) ₈ ), что дало 0,02% (по масса) соли. Эта сумма составляет примерно десятую часть запланированной конечной целевой концентрации. ^{[15] [19]}

Ядерный синтез на Солнце и других звездах превращает протоны в нейтроны с испусканием нейтрино. Бета-распад на Земле и в сверхновых превращает нейтроны в протоны с испусканием антинейтрино. Супер-Камиоканде обнаруживает электроны, оторванные от молекулы воды, вызывая вспышку синего черенковского света, и они производятся как нейтрино, так и антинейтрино. Более редкий случай — когда антинейтрино взаимодействует с протоном в воде с образованием нейтрона и позитрона. ^[21]

Гадолиний имеет сродство к нейтронам и производит яркую вспышку гамма-лучей, когда поглощает их. Добавление гадолиния к Супер-Камиоканде позволяет ему различать нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино производят двойную вспышку света с интервалом примерно в 30 микросекунд: 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. В дополнение к наблюдению нейтрино от далеких сверхновых, Супер-Камиоканде сможет подать сигнал тревоги, чтобы проинформировать астрономов всего мира о присутствии сверхновой в Млечном Пути в течение одной секунды после ее возникновения.

Самая большая проблема заключалась в том, можно ли непрерывно фильтровать воду в детекторе для удаления примесей, не удаляя при этом гадолиний. 200-тонный прототип под названием EGADS с добавлением сульфата гадолиния был установлен на руднике Камиока и проработал несколько лет. Он завершил работу в 2018 году и показал, что новая система очистки воды будет удалять примеси, сохраняя при этом стабильную концентрацию гадолиния. Исследование также показало, что сульфат гадолиния не будет существенно ухудшать прозрачность сверхчистой воды и не вызывать коррозию или отложения на существующем оборудовании или на новых клапанах, которые позже будут установлены в Гипер- Камиоканде . ^{[20] [21]}

Водный танк

Внешняя оболочка резервуара для воды представляет собой цилиндрический резервуар из нержавеющей стали диаметром 39 м и высотой 42 м. Резервуар является самонесущим, а стены из грубо отесанного камня залиты бетоном для противодействия давлению воды при наполнении резервуара. Вместимость резервуара превышает 50 килотонн воды. ^[11]

ГУП и ассоциированная структура

Базовым блоком ID PMT является «супермодуль», каркас, который поддерживает массив PMT 3×4. Каркасы супермодуля имеют высоту 2,1 м, ширину 2,8 м и толщину 0,55 м. Эти рамы соединены друг с другом как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Затем вся опорная конструкция соединяется с нижней частью резервуара и с верхней конструкцией. Супермодули не только выполняли функцию жестких конструктивных элементов, но и упрощали первоначальную сборку ИД. Каждый супермодуль собирался на полу резервуара, а затем поднимался в окончательное положение. Таким образом, идентификатор фактически состоит из супермодулей. Во время установки ID ФЭУ были предварительно собраны по три штуки для облегчения установки. Каждый супермодуль имеет два ФЭУ OD, прикрепленных к его задней стороне. Опорная конструкция для нижних ФЭУ крепится к днищу резервуара из нержавеющей стали с помощью одной вертикальной балки на каждую раму супермодуля. Опорная конструкция верхней части резервуара также используется в качестве опорной конструкции для верхних ПМТ.

Кабели из каждой группы из трех ФЭУ объединены в пучок. Все кабели проходят по внешней поверхности опорной конструкции ФЭУ, т. е. по внешней поверхности ФЭУ, проходят через кабельные отверстия в верхней части резервуара и затем прокладываются в отсеки для электроники.

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

Для защиты от низкоэнергетического фонового излучения продуктов распада радона в воздухе свод полости и ходовые туннели были герметизированы покрытием под названием Mineguard. Mineguard — это наносимая распылением полиуретановая мембрана, разработанная для использования в качестве системы поддержки горных пород и барьера для газа радона в горнодобывающей промышленности. ^[11]

Среднее геомагнитное поле составляет около 450 мГс и наклонено примерно на 45° относительно горизонта в месте установки детектора. Это представляет проблему для больших и очень чувствительных ФЭУ, которые предпочитают гораздо более низкое внешнее поле. Сила и однородное направление геомагнитного поля могут систематически искажать траектории и время фотоэлектронов в ФЭУ. Чтобы противодействовать этому, вокруг внутренних поверхностей резервуара расположены 26 комплектов горизонтальных и вертикальных катушек Гельмгольца. При их работе среднее поле в детекторе снижается примерно до 50 мГс. Магнитное поле в различных местах ФЭУ измерялось до того, как резервуар был наполнен водой. ^[11]

Стандартный контрольный объем, составляющий примерно 22,5 килотонны, определяется как область внутри поверхности, проведенная на расстоянии 2,00 м от внутренней стены, чтобы минимизировать аномальную реакцию, вызванную естественной радиоактивностью в окружающей породе.

Система наблюдения

Система онлайн-мониторинга

Компьютер онлайн-монитора, расположенный в диспетчерской, считывает данные с главного компьютера сбора данных через канал FDDI. Оно предоставляет операторам смен гибкий инструмент для выбора функций отображения событий, создает онлайн-гистограммы и гистограммы недавней истории для мониторинга производительности детектора, а также выполняет множество дополнительных задач, необходимых для эффективного мониторинга состояния и диагностики проблем детектора и сбора данных. События в потоке данных можно отсекать, а инструменты элементарного анализа можно применять для проверки качества данных во время калибровок или после изменений в аппаратном или онлайн-программном обеспечении. ^[11]

Монитор сверхновых в реальном времени

Для максимально эффективного и оперативного обнаружения и идентификации таких вспышек Супер-Камиоканде оснащен системой онлайн-мониторинга сверхновых. Всего в Супер-Камиоканде ожидается около 10 000 событий, связанных со взрывом сверхновой в центре Галактики Млечный Путь. Super-Kamiokande может измерять всплеск без мертвого времени, до 30 000 событий в течение первой секунды всплеска. Теоретические расчеты взрывов сверхновых предполагают, что нейтрино испускаются в течение десятков секунд, причем около половины из них испускаются в течение первых одной или двух секунд. Super-K будет искать кластеры событий в заданных временных окнах 0,5, 2 и 10 с. ^[11] Данные передаются в процесс анализа SN-watch в режиме реального времени каждые 2 минуты, а анализ обычно завершается за 1 минуту. При обнаружении кандидатов на событие сверхновой (SN) рассчитывается, если множественность событий превышает 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 сверхновых взаимодействуют со свободными протонами, производя позитроны, которые настолько равномерно распределены в детекторе, что для событий СН должно быть значительно больше, чем для обычных пространственных кластеров событий. В детекторе Супер-Камиоканде Rmean для равномерно распределенных событий Монте-Карло показывает, что хвост не существует 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 данных SN1987A. ^{[11] [22]} Система запустит специальные процессы для проверки наличия расщепленных мюонов, когда кандидаты на всплеск соответствуют критериям «сигнализации», и примет первичное решение для дальнейшего процесса. Если кандидат на пакетный анализ пройдет эти проверки, данные будут повторно проанализированы в автономном режиме, и окончательное решение будет принято в течение нескольких часов. Во время забега Супер-Камиоканде I такого никогда не происходило. Одной из важных возможностей [Супер-Камиоканде] является восстановление направления сверхновой. По рассеянию нейтрино-электронов в случае вспышки сверхновой в центре Галактики Млечный Путь всего ожидается 100–150 событий. ^[11] Направление сверхновой можно измерить с угловым разрешением. ${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$ ${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$ ${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$ ${\displaystyle {N_{\text{multi}}}}$ ${\displaystyle {R_{\text{mean}}}}$ ${\displaystyle {N_{\text{multi}}}}$ ${\displaystyle \nu _{\text{x}}+e^{-}\to \nu _{\text{x}}+e^{-}}$

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

где N — число событий, вызванных ν–e-рассеянием. Таким образом, угловое разрешение может достигать δθ ~ 3° для сверхновой в центре Галактики Млечный Путь. ^[11] В этом случае можно получить не только временной профиль и энергетический спектр нейтринной вспышки, но и информацию о направлении сверхновой.

Монитор медленного управления и автономный монитор процесса

Существует процесс, называемый монитором «медленного контроля», который является частью системы онлайн-мониторинга и отслеживает состояние высоковольтных систем, температуру ящиков с электроникой и состояние компенсационных катушек, используемых для подавления геомагнитного поля. При обнаружении любого отклонения от норм оно предупредит физиков и предложит провести расследование, принять соответствующие меры или уведомить экспертов. ^[11]

Для мониторинга и управления автономными процессами анализа и передачи данных был разработан сложный комплекс программного обеспечения. Этот монитор позволяет неопытным сменным физикам выявлять и устранять распространенные проблемы, чтобы минимизировать время простоя, а пакет программного обеспечения внес значительный вклад в бесперебойное проведение эксперимента и его общую высокую эффективность в течение всего срока службы для сбора данных. ^[11]

Исследовать

Солнечное нейтрино

Энергия Солнца возникает в результате ядерного синтеза в его ядре, где атом гелия и электронное нейтрино генерируются четырьмя протонами. Эти нейтрино, испускаемые в результате этой реакции, называются солнечными нейтрино. Фотонам, созданным в результате ядерного синтеза в центре Солнца, требуются миллионы лет, чтобы достичь поверхности; с другой стороны, солнечные нейтрино достигают Земли за восемь минут из-за отсутствия взаимодействия с веществом. Следовательно, солнечные нейтрино позволяют нам наблюдать внутреннее Солнце в «реальном времени», что для видимого света занимает миллионы лет. ^[23]

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

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

Следовательно, источником нейтрино являются звезды, в том числе и Солнце . Эти нейтрино в основном проходят через цепочку pp в меньших массах, а для более холодных звезд - в первую очередь через цикл CNO более тяжелых масс.

В левом кадре показаны три основных цикла, составляющих цепочку pp (pp I, pp II и pp III), и источники нейтрино, связанные с этими циклами. Правый кадр показывает цикл CNO-I.

В начале 1990-х годов, особенно с учетом неопределенностей, сопровождавших первоначальные результаты экспериментов Камиока II и Ga, ни один отдельный эксперимент не требовал неастрофизического решения проблемы солнечных нейтрино. Но в совокупности эксперименты Cl, Kamioka II и Ga показали картину потоков нейтрино, несовместимую с какой-либо корректировкой SSM. Это, в свою очередь, помогло создать новое поколение чрезвычайно эффективных активных детекторов. Эти эксперименты — Супер-Камиоканде, Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) и Борексино . Супер-Камиоканде удалось обнаружить явления упругого рассеяния (ES).

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

который из-за вклада заряженного тока в рассеяние имеет относительную чувствительность к s-нейтрино и нейтрино тяжелого аромата ~7:1. ^[24] Поскольку направление электрона отдачи ограничено очень прямым, 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 это соотношение составляет . ^[25] Результат ясно указывает на дефицит солнечных нейтрино. ${\displaystyle \nu _{e}}$ ${\displaystyle \nu _{e}}$ ${\displaystyle \cos \theta _{Sun}}$ ${\displaystyle \theta _{Sun}}$ ${\displaystyle {}^{8}\!B}$ ${\displaystyle 2.40\pm 0.03(stat.){}_{-0.07}^{+0.08}\!(sys.)\times 10^{6}cm^{-2}s^{-1}}$ ${\displaystyle {Data \over SSM_{BP98}}=0.465\pm 0.005(stat.){}_{-0.013}^{+0.015}\!(sys.)}$

Атмосферное нейтрино

Атмосферные нейтрино — вторичные космические лучи, образующиеся в результате распада частиц в результате взаимодействия первичных космических лучей (главным образом протонов ) с атмосферой Земли . Наблюдаемые события атмосферных нейтрино делятся на четыре категории. Все дорожки полностью изолированных событий (FC) находятся во внутреннем детекторе, тогда как частично изолированные события (PC) имеют следы, выходящие из внутреннего детектора. Проходящие вверх мюоны (UTM) образуются в породе под детектором и проходят через внутренний детектор. Мюоны, останавливающиеся вверх (USM), также производятся в породе под детектором, но останавливаются во внутреннем детекторе.

Число наблюдаемых нейтрино прогнозируется равномерно независимо от зенитного угла. Однако Супер-Камиоканде обнаружил, что количество мюонных нейтрино, идущих вверх (сгенерированных на другой стороне Земли), составляет половину числа мюонных нейтрино, идущих вниз, в 1998 году. Это можно объяснить тем, что нейтрино меняются или колеблются в какие-то другие. нейтрино, которые не обнаруживаются. Это называется нейтринной осцилляцией ; это открытие указывает на конечную массу нейтрино и предполагает расширение Стандартной модели. Нейтрино колеблются в трех вариантах, и все нейтрино имеют массу покоя. Более поздний анализ, проведенный в 2004 году, показал синусоидальную зависимость частоты событий как функцию «Длина / Энергия», что подтвердило нейтринные осцилляции. ^[26]

К2К Эксперимент

Эксперимент K2K представлял собой нейтринный эксперимент, проводившийся с июня 1999 по ноябрь 2004 года. Этот эксперимент был разработан для проверки колебаний, наблюдаемых Супер-Камиоканде через мюонные нейтрино . Это дает первое положительное измерение осцилляций нейтрино в условиях, когда и источник, и детектор находятся под контролем. Детектор Супер-Камиоканде играет важную роль в эксперименте как дальний детектор. Позже эксперимент T2K продолжился как продолжение эксперимента K2K второго поколения .

Т2К-эксперимент

Эксперимент T2K (Токай-Камиока) — это нейтринный эксперимент, в котором сотрудничают несколько стран, включая Японию , США и другие. Цель T2K – получить более глубокое понимание параметров нейтринных осцилляций . T2K провела поиск осцилляций от мюонных нейтрино до электронных нейтрино и объявила о первых экспериментальных признаках их существования в июне 2011 года. ^[27] Детектор Супер-Камиоканде играет роль «дальнего детектора». Детектор Супер-К будет регистрировать черенковское излучение мюонов и электронов, создаваемое взаимодействием нейтрино высоких энергий с водой.

Распад протона

В Стандартной модели протон считается абсолютно стабильным . Однако Теории Великого Объединения (GUT) предсказывают, что протоны могут распадаться на более легкие энергичные заряженные частицы, такие как электроны, мюоны, пионы и другие, которые можно наблюдать. Камиоканде помогает исключить некоторые из этих теорий. Супер-Камиоканде в настоящее время является крупнейшим детектором для наблюдения за распадом протона.

Очистка

Система очистки воды

Схема системы очистки воды

С начала 2002 года 50 килотонн чистой воды непрерывно перерабатываются со скоростью около 30 тонн/час в закрытой системе. дорогие расходные материалы, навязываются. Первоначально вода из резервуара Супер-Камиоканде пропускается через сетчатые фильтры номиналом 1 мкм для удаления пыли и частиц, которые снижают прозрачность воды для черенковских фотонов и обеспечивают возможный источник радона внутри детектора Супер-Камиоканде. Теплообменник используется для охлаждения воды с целью снижения уровня темнового шума ФЭУ, а также подавления роста бактерий . Выжившие бактерии уничтожаются на этапе УФ-стерилизации. Картриджный полировщик (CP) удаляет тяжелые ионы, которые также снижают прозрачность воды и содержат радиоактивные вещества. Модуль CP увеличивает типовое удельное сопротивление оборотной воды с 11 МОм·см до 18,24 МОм·см, приближаясь к химическому пределу. ^[11] Первоначально в систему был включен ионообменник (ИЭ), но его удалили, когда выяснилось, что смола ИЭ является значительным источником радона. В 1999 году были установлены этап обратного осмоса (RO), который удаляет дополнительные частицы, и введение в воду воздуха с пониженным содержанием Rn, что повышает эффективность удаления радона на следующем этапе вакуумной дегазации (VD). После этого VD удаляет растворенные частицы. газы в воде. Эти растворенные в воде газы являются серьезным фоновым источником солнечных нейтрино в диапазоне энергий МэВ, а растворенный кислород способствует росту бактерий. Эффективность удаления составляет около 96%. Затем вводится ультрафильтр (УФ) для удаления частиц, минимальный размер которых соответствует молекулярной массе примерно 10 000 (или диаметр около 10 нм), благодаря мембранным фильтрам из полых волокон. Наконец, мембранный дегазатор (МД) удаляет растворенный в воде радон, и измеренная эффективность удаления радона составляет около 83%. Концентрация газов радона миниатюризируется детекторами реального времени. В июне 2001 года типичные концентрации радона в воде, поступающей в систему очистки из резервуара Супер-Камиоканде, составляли менее 2 мБк м- ³ , а в воде, выходящей из системы, - 0,4±0,2 мБк м ^-3 . ^[11]

Система очистки воздуха

Схема системы очистки воздуха

Очищенный воздух подается в зазор между поверхностью воды и верхом резервуара Супер-Камиоканде. Система очистки воздуха содержит три компрессора, буферную емкость, осушители, фильтры и фильтры с активированным углем . Всего использовано 8 м ³ активированного угля. Последние 50 л древесного угля охлаждаются до −40 °C, чтобы повысить эффективность 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 составляет 40 Бк м ^-3 . Уровни радона в воздухе шахтных тоннелей, вблизи купола полости резервуара, в теплое время года, с мая по октябрь, обычно достигают 2000–3000 Бк/ ^{м3 , а с ноября по апрель уровень радона составляет примерно 100–300 Бк/м3 .} . Это изменение связано с эффектом дымохода в схеме вентиляции системы туннелей шахты; В холодное время года свежий воздух поступает во вход в туннель Атоцу, который представляет собой относительно короткий путь через обнаженную скалу до достижения экспериментальной зоны, а летом воздух выходит из туннеля, вытягивая богатый радоном воздух из глубины шахты мимо экспериментальная зона. ^[11]

Чтобы поддерживать уровень радона в зоне купола и в системе очистки воды ниже 100 Бк м- ³ , свежий воздух постоянно подается со скоростью примерно 10 м ³ /мин снаружи шахты, что создает небольшое избыточное давление в экспериментальной шахте Супер-Камиоканде. зону, чтобы свести к минимуму попадание окружающего шахтного воздуха. Рядом с входом в туннель Атоцу была построена «Радоновая хижина» (Rn Hut), в которой разместилось оборудование для воздушной системы купола: воздушный насос мощностью 40 л.с. с производительностью насоса 10 м ³  мин ^-1/15 фунтов на квадратный дюйм, осушитель воздуха, резервуары с угольным фильтром, и управляющая электроника. Осенью 1997 года удлиненная воздухозаборная труба была установлена ​​примерно в 25 м над входом в туннель Атоцу. Этот низкий уровень удовлетворяет требованиям по качеству воздуха, поэтому операции регенерации угольного фильтра больше не требуются. ^[11]

Обработка данных

Офлайн-обработка данных производится как в Камиоке, так и в США.

В Камиоке

Автономная система обработки данных расположена в Кенкьюто и соединена с детектором Супер-Камиоканде оптоволоконным каналом FDDI длиной 4 км. Поток данных из онлайн-системы в среднем составляет 450 Кбайт ^/ с , что соответствует 40 Гбайт в день ^-1 или 14 Тбайт/ ^год . 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 CERN , а также на системе обмена ZEBRA. ^[11]

Данные о событиях из онлайн-системы сбора данных Super-Kamiokande в основном содержат список количества попаданий PMT, счетчиков TDC и ADC, временные метки GPS и другие служебные данные. Для анализа солнечных нейтрино снижение энергетического порога является постоянной целью, поэтому это постоянные усилия по повышению эффективности алгоритмов сокращения; однако изменения в калибровках или методах сокращения требуют повторной обработки более ранних данных. Обычно каждый месяц обрабатывается 10 ТБ необработанных данных, что обеспечивает большой объем мощности ЦП и высокоскоростной доступ к необработанным данным. Кроме того, также необходима обширная обработка моделирования методом Монте-Карло . ^[11]

Автономная система была разработана для удовлетворения всех этих требований: ленточное хранение большой базы данных (14 Тбайт в год), стабильная обработка в полуреальном времени, почти непрерывная повторная обработка и моделирование Монте-Карло. Компьютерная система состоит из трех основных подсистем: сервера данных, фермы ЦП и сети в конце запуска I. ^[11]

В нас

В Университете Стоуни-Брук в Стоуни-Брук, штат Нью-Йорк , была установлена ​​система, предназначенная для автономной обработки данных, предназначенная для обработки необработанных данных, отправленных из Камиоки. Большая часть переформатированных необработанных данных копируется из системного объекта в Камиоке. В Стоуни-Брук была установлена ​​система для анализа и дальнейшей обработки. В Стоуни-Бруке необработанные данные обрабатывались с помощью многоленточного накопителя DLT. Процессы обработки данных на первом этапе были выполнены для анализа высоких энергий и анализа низких энергий. Обработка данных для анализа высоких энергий в основном касалась событий атмосферных нейтрино и поиска распада протонов, тогда как анализ низких энергий в основном касался событий солнечных нейтрино. Сокращенные данные для анализа высоких энергий были дополнительно отфильтрованы с помощью других процессов восстановления, и полученные данные были сохранены на дисках. Уменьшенные данные для низкой энергии были сохранены на лентах DLT и отправлены в Калифорнийский университет в Ирвайне для дальнейшей обработки.

Эта система анализа смещений просуществовала три года, пока не было доказано, что их цепочки анализа дают эквивалентные результаты. Таким образом, чтобы ограничить рабочую силу, сотрудничество было сосредоточено на одном комбинированном анализе ^[28]

Полученные результаты

В 1998 году Super-K обнаружил первые убедительные доказательства нейтринных осцилляций , наблюдая за превращением мюонных нейтрино в тау-нейтрино. ^[29]

SK установил ограничения на время жизни протонов и другие редкие распада, а также свойства нейтрино. СК установил нижнюю границу распада протонов на каоны в 5,9 × 10 ³³ лет ^[30]

В январе 2023 года на основе данных, собранных в период 1996–2018 годов, Супер-Камиоканде сообщил о новых пределах для темной материи с энергией менее ГэВ , исключая сечение упругого рассеяния темной материи на нуклонах между и с массами от до . ^{[4] [5]} ${\displaystyle 10^{-33}cm^{2}}$ ${\displaystyle 10^{-27}cm^{2}}$ ${\displaystyle 1\ MeV/c^{2}}$ ${\displaystyle 300\ MeV/c^{2}}$

В популярной культуре

Супер-Камиоканде является предметом фотографии Андреаса Гурски «Камиоканде» ^[31] 2007 года и был показан в эпизоде ​​​​сериала « Космос: Пространственно-временная одиссея» . ^[32]

В сентябре 2018 года детектор был опорожнен на техническое обслуживание, что дало команде репортеров Австралийской радиовещательной корпорации возможность получить видео с разрешением 4K из резервуара детектора. ^[33]

Смотрите также

• Масатоши Косиба
• Ёдзи Тоцука

Рекомендации

1. С. Фукуда; и другие. (Апрель 2003 г.), «Детектор Супер-Камиоканде», Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях A , 501 (2–3): 418–462, Бибкод : 2003NIMPA.501..418F, doi : 10.1016/S0168-9002( 03)00425-Х
2. «Институты сотрудничества». Официальный сайт Super-Kamiokande (на японском языке) . Проверено 28 февраля 2024 г.
3. "スーパーカミオカンデ概要".スーパーカミオカンデ 公式ホームページ(на японском языке) . Проверено 28 февраля 2024 г.
4. «Физики углубляются в поисках темной материи». Научный американец .
5. «Детектор Супер-Камиоканде ожидает нейтрино от сверхновой».
6. "トップページ - Обсерватория Камиока, ICRR, Токийский университет" . www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp .
7. "Дом физики" . www.phys.washington.edu . Архивировано из оригинала 30 января 2004 года . Проверено 20 ноября 2001 г.
8. "Фотогалерея Супер-Камиоканде" . www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp .
9. «Официальный отчет об аварии (в формате PDF)» (PDF) . u-tokyo.ac.jp .
10. "Запись в журнале о первых нейтрино, замеченных в Супер-К, генерируемых в КЕК" . сайт симметрии .
11. С. Фукуда; и другие. (1 апреля 2003 г.), «Детектор Супер-Камиоканде», Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях A , 51 (2–3): 418–462, Бибкод : 2003NIMPA.501..418F, doi : 10.1016/S0168-9002 (03)00425-Х
12. Фукуда, Ю.; и другие. (1998). «Доказательства колебаний атмосферных нейтрино». Письма о физических отзывах . 81 (8): 1562–1567. arXiv : hep-ex/9807003 . Бибкод : 1998PhRvL..81.1562F. doi :10.1103/PhysRevLett.81.1562. S2CID  7102535.
13. "Лаборатория нейтрино на месте аварии" . Physicsworld.com . 15 ноября 2001 г.
14. «Охота на нейтрино возобновляется, новая уверенность ИТЭР и беды Эльзевира» . Природа . 566 (7742): 12–13. 2019. Бибкод : 2019Natur.566...12.. doi : 10.1038/d41586-019-00440-2 . ПМИД  30728526.
15. Эйб, К.; Броннер, К.; Хаято; и другие. (2022). «Первая погрузка гадолиния в Супер-Камиоканде». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 1027 : 166248. arXiv : 2109.00360 . Бибкод : 2022NIMPA102766248A. дои : 10.1016/j.nima.2021.166248. ISSN  0168-9002. S2CID  237372721.
16. К. Абэ; и другие. (11 февраля 2014 г.), «Калибровка детектора Супер-Камиоканде», Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях A , 737 : 253–272, arXiv : 1307.0162 , Бибкод : 2014NIMPA.737..253A, doi : 10.1016/j. nima.2013.11.081, S2CID  18008496
17. Ямада, С.; Авай, К.; Хаято, Ю.; Канеюки, К.; Козума, Ю.; Накаяма, С.; Нисино, Х.; Окумура, К.; Обаяши, Ю.; Симидзу, Ю.; Сиодзава, М.; Такеда, А.; Хэн, Ю.; Ян, Б.; Чен, С.; Танака, Т.; Ёкодзава, Т.; Косио, Ю.; Морияма, С.; Арай, Ю.; Исикава, К.; Минегиши, А.; Учида, Т. (2010). «Ввод в эксплуатацию новой электроники и онлайн-системы для эксперимента Супер-Камиоканде». Транзакции IEEE по ядерной науке . 57 (2): 428–432. Бибкод : 2010ITNS...57..428Y. дои : 10.1109/TNS.2009.2034854. S2CID  5714133.
18. Х. Нишино; и другие. (2009), «Высокоскоростной преобразователь заряда во время ASIC для детектора Супер-Камиоканде», Nuclear Instruments and Methods in Physical Research A , 610 (3): 710–717, arXiv : 0911.0986 , Bibcode : 2009NIMPA.610 ..710N, doi :10.1016/j.nima.2009.09.026, S2CID  110431759
19. Sturmer, корреспондент Северной Азии Джейк; Асада, Юми; Спраггон, Бен; Гурли, Колин (17 июня 2019 г.). «Как поймать что-то меньшее атома, путешествующее по галактикам?». Новости АВС . Проверено 25 июня 2019 г.
20. Сюй, Чэньюань (2016). «Текущее состояние проекта СК-Гд и EGADS». Физический журнал: серия конференций . 718 (6): 062070. Бибкод : 2016JPhCS.718f2070X. дои : 10.1088/1742-6596/718/6/062070 .
21. Кастельвекки, Давиде (27 февраля 2019 г.). «Гигантский японский детектор готовится поймать нейтрино сверхновых». Природа . 566 (7745): 438–439. Бибкод : 2019Natur.566..438C. дои : 10.1038/d41586-019-00598-9 . ПМИД  30814722.
22. Хирата, К; и другие. (6 апреля 1987 г.), «Наблюдение за нейтрино взрывом от Supernova SN1987A», Письма о физическом обзоре , 58 (14): 1490–1493, Bibcode : 1987phrvl..58.1490h, doi : 10.1103/physrevlet.58.1490 , PMID  10034445050505050550 года .
23. "Официальная домашняя страница Супер-Камиоканде" . www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp .
24. А.Б. Балантекин; и другие. (Июль 2013 г.), «Нейтринные осцилляции», Progress in Particle and Nuclear Physics , 71 : 150–161, arXiv : 1303.2272 , Bibcode : 2013PrPNP..71..150B, doi : 10.1016/j.ppnp.2013.03.007, S2CID  119185073
25. Дж. Н. Бахколл; С. Басу; М. Х. Пинсонно (1998), «Насколько неточны предсказания солнечных нейтрино?», Physics Letters B , 433 (1–2): 1–8, arXiv : astro-ph/9805135 , Bibcode : 1998PhLB..433....1B , doi : 10.1016/S0370-2693(98)00657-1, S2CID  119078800
26. "Официальная домашняя страница Супер-Камиоканде" . www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp .
27. Комитет, Публичный веб-сайт T2K. «Эксперимент Т2К». t2k-experiment.org .{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
28. С. Фукуда; и другие. (1 апреля 2003 г.), «Детектор Супер-Камиоканде», Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях A , 501 (2–3): 418–462, Бибкод : 2003NIMPA.501..418F, doi : 10.1016/S0168-9002 (03)00425-Х
29. Кернс; Каджита; Тоцука (август 1999 г.), «Обнаружение массивных нейтрино», Scientific American , 281 (2): 64, Бибкод : 1999SciAm.281b..64K, номер документа : 10.1038/scientificamerican0899-64.
30. Абэ, К.; Хаято, Ю.; Йоги, К.; Камеда, Дж.; Миура, М.; Морияма, С.; Накахата, М.; Накаяма, С.; Венделл, РА; Секия, Х.; Сиодзава, М.; Сузуки, Ю.; Такеда, А.; Такенага, Ю.; Уэно, К.; Ёкодзава, Т.; Кадзи, Х.; Каджита, Т.; Канеюки, К.; Ли, КП; Окумура, К.; Маклахлан, Т.; Лабарга, Л.; Кернс, Э.; Рааф, Дж.Л.; Стоун, Дж.Л.; Сулак, ЛР; Гольдхабер, М.; Бэйс, К.; и другие. (14 октября 2014 г.). «Поиск распада протона через p → νKþ с использованием данных Супер-Камиоканде за 260 килотонн · год». Физический обзор D . 90 (7): 072005. arXiv : 1408.1195 . Бибкод : 2014arXiv1408.1195T. doi :10.1103/PhysRevD.90.072005. S2CID  18477457.
31. «Май 2007 г., выпуск WM № 3: АНДРЕАС ГУРСКИ @ ГАЛЕРЕЯ МЭТЬЮ МАРКСА» . whitehotmagazine.com .
32. «Превью 6-й серии« Космоса »: Нил Деграсс Тайсон исследует древнее в «Глубже, еще глубже»» . ibtimes.com . 13 апреля 2014 года . Проверено 4 мая 2020 г.
33. Предыстория: Раз в десять лет есть шанс снять видео в обсерватории Супер-Камиоканде, и у вас есть один час, Джейк Стермер, ABC News Online , 25 сентября 2018 г.

Внешние ссылки

• Домашняя страница Супер-Камиоканде
• Запись эксперимента Супер-Камиоканде на INSPIRE-HEP