Нейтринная обсерватория Садбери ( SNO ) была нейтринной обсерваторией , расположенной на глубине 2100 м под землей в шахте Крейтон компании Vale в Садбери , Онтарио , Канада. Детектор был разработан для обнаружения солнечных нейтрино посредством их взаимодействия с большим резервуаром тяжелой воды .
Детектор был включен в мае 1999 года и выключен 28 ноября 2006 года. После этого сотрудничество SNO продолжалось в течение нескольких лет, анализируя полученные данные.
Руководитель эксперимента Арт Макдональд был одним из лауреатов Нобелевской премии по физике в 2015 году за вклад эксперимента в открытие нейтринных осцилляций . [1]
Подземная лаборатория была расширена до постоянного объекта и теперь проводит множество экспериментов как SNOLAB . Само оборудование SNO было отремонтировано по состоянию на февраль 2017 года [обновлять]для использования в эксперименте SNO+ .
Первые измерения числа солнечных нейтрино, достигающих Земли, были проведены в 1960-х годах, и все эксперименты до SNO наблюдали на треть или половину меньше нейтрино, чем предсказывалось Стандартной солнечной моделью . Поскольку несколько экспериментов подтвердили этот дефицит, эффект стал известен как проблема солнечных нейтрино . В течение нескольких десятилетий было выдвинуто много идей, чтобы попытаться объяснить эффект, одной из которых была гипотеза осцилляций нейтрино . Все детекторы солнечных нейтрино до SNO были чувствительны в основном или исключительно к электронным нейтрино и давали мало или вообще не давали информации о мюонных нейтрино и тау-нейтрино .
В 1984 году Херб Чен из Калифорнийского университета в Ирвайне впервые указал на преимущества использования тяжелой воды в качестве детектора солнечных нейтрино. [2] В отличие от предыдущих детекторов, использование тяжелой воды сделало бы детектор чувствительным к двум реакциям, одна реакция была бы чувствительна ко всем ароматам нейтрино, другая реакция была бы чувствительна только к электронным нейтрино. Таким образом, такой детектор мог бы измерять осцилляции нейтрино напрямую. Расположение в Канаде было привлекательным, поскольку Atomic Energy of Canada Limited , которая поддерживает большие запасы тяжелой воды для поддержки своих реакторных электростанций CANDU , была готова предоставить необходимую сумму (стоимостью 330 000 000 канадских долларов по рыночным ценам) бесплатно. [3] [4]
Шахта Крейтон в Садбери является одной из самых глубоких в мире и, соответственно, испытывает очень малый фоновый поток радиации. Она была быстро определена как идеальное место для проведения предложенного Ченом эксперимента, [3] и руководство шахты было готово предоставить это место только за дополнительные расходы. [5] : 440
Сотрудничество SNO провело свою первую встречу в 1984 году. В то время оно конкурировало с предложением TRIUMF KAON Factory за федеральное финансирование, и широкий спектр университетов, поддерживающих SNO, быстро привел к его выбору для разработки. Официальное одобрение было дано в 1990 году.
Эксперимент наблюдал свет, произведенный релятивистскими электронами в воде, созданной взаимодействием нейтрино. Когда релятивистские электроны проходят через среду, они теряют энергию, создавая конус синего света через эффект Черенкова , и именно этот свет напрямую обнаруживается.
Детекторная мишень SNO состояла из 1000 тонн (1102 коротких тонн ) тяжелой воды, содержащейся в акриловом сосуде радиусом 6 метров (20 футов) . Полость детектора снаружи сосуда была заполнена обычной водой, чтобы обеспечить как плавучесть для сосуда, так и радиационную защиту . Тяжелая вода просматривалась примерно 9600 фотоумножительными трубками (ФЭУ), установленными на геодезической сфере на радиусе около 850 сантиметров (28 футов). Полость, в которой размещался детектор, была крупнейшей в мире на такой глубине [6], требуя различных высокопроизводительных методов крепления скальных пород для предотвращения разрывов горных пород.
Обсерватория расположена в конце 1,5-километрового (0,9 мили) штрека , называемого «шлейф SNO», что изолирует его от других горнодобывающих работ. Вдоль штрека расположено несколько операционных и аппаратных помещений, все из которых находятся в условиях чистой комнаты . Большая часть объекта имеет класс 3000 (менее 3000 частиц размером 1 мкм или больше на 1 фут 3 воздуха), но последняя полость, содержащая детектор, имеет еще более строгий класс 100. [ 3]
При взаимодействии заряженного тока нейтрино преобразует нейтрон в дейтроне в протон . Нейтрино поглощается в реакции и образуется электрон. Солнечные нейтрино имеют энергию, меньшую массы мюонов и тау-лептонов , поэтому в этой реакции могут участвовать только электронные нейтрино. Испускаемый электрон уносит большую часть энергии нейтрино, порядка 5–15 МэВ , и может быть обнаружен. Образующийся протон не имеет достаточной энергии, чтобы его можно было легко обнаружить. Электроны, образующиеся в этой реакции, испускаются во всех направлениях, но у них есть небольшая тенденция указывать обратно в направлении, откуда пришло нейтрино.
При взаимодействии нейтрального тока нейтрино диссоциирует дейтрон, разбивая его на составляющие его нейтрон и протон. Нейтрино продолжает движение с немного меньшей энергией, и все три аромата нейтрино с равной вероятностью будут участвовать в этом взаимодействии. Тяжелая вода имеет небольшое поперечное сечение для нейтронов, но когда нейтроны захватываются ядром дейтерия, образуется гамма-луч ( фотон ) с энергией примерно 6 МэВ. Направление гамма-луча совершенно не коррелирует с направлением нейтрино. Некоторые из нейтронов, образующихся из диссоциированных дейтронов, проходят через акриловый сосуд в рубашку из легкой воды, окружающую тяжелую воду, и поскольку легкая вода имеет очень большое поперечное сечение для захвата нейтронов, эти нейтроны захватываются очень быстро. В этой реакции образуются гамма-лучи с энергией примерно 2,2 МэВ, но поскольку энергия фотонов меньше энергетического порога детектора (то есть они не вызывают срабатывания фотоумножителей), они не могут быть непосредственно обнаружены. Однако когда гамма-луч сталкивается с электроном посредством комптоновского рассеяния, ускоренный электрон можно обнаружить с помощью черенковского излучения.
При упругом рассеянии нейтрино сталкивается с атомным электроном и передает часть своей энергии электрону. Все три нейтрино могут участвовать в этом взаимодействии посредством обмена нейтральным Z-бозоном , а электронные нейтрино также могут участвовать в обмене заряженным W-бозоном . По этой причине это взаимодействие доминирует электронными нейтрино, и это канал, через который детектор Super-Kamiokande (Super-K) может наблюдать солнечные нейтрино. Это взаимодействие является релятивистским эквивалентом бильярда , и по этой причине образующиеся электроны обычно указывают в направлении, в котором двигалось нейтрино (от Солнца). Поскольку это взаимодействие происходит на атомных электронах, оно происходит с одинаковой скоростью как в тяжелой, так и в легкой воде.
Первые научные результаты SNO были опубликованы 18 июня 2001 года [7] [8] и представили первое четкое доказательство того, что нейтрино колеблются (т. е. могут превращаться друг в друга) по мере своего перемещения от Солнца. Это колебание, в свою очередь, подразумевает, что нейтрино имеют ненулевые массы. Полный поток всех ароматов нейтрино, измеренный SNO, хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями. Дальнейшие измерения, проведенные SNO, с тех пор подтвердили и улучшили точность первоначального результата.
Хотя Super-K опередил SNO, опубликовав доказательства нейтринных осцилляций еще в 1998 году, результаты Super-K не были окончательными и не касались конкретно солнечных нейтрино. Результаты SNO были первыми, которые напрямую продемонстрировали осцилляции солнечных нейтрино. Это было важно для стандартной солнечной модели . В 2007 году Институт Франклина наградил директора SNO Арта Макдональда медалью Бенджамина Франклина по физике. [9] В 2015 году Нобелевская премия по физике была совместно присуждена Артуру Б. Макдональду и Такааки Кадзите из Токийского университета за открытие нейтринных осцилляций. [10]
Детектор SNO мог бы обнаружить сверхновую в нашей галактике, если бы она произошла, пока детектор был в сети. Поскольку нейтрино, испускаемые сверхновой, высвобождаются раньше фотонов, можно оповестить астрономическое сообщество до того, как сверхновая станет видимой. SNO был одним из основателей Системы раннего оповещения о сверхновых (SNEWS) с Super-Kamiokande и детектором большого объема . Пока что такие сверхновые не были обнаружены.
Эксперимент SNO также смог наблюдать атмосферные нейтрино, произведенные взаимодействием космических лучей в атмосфере. Из-за ограниченного размера детектора SNO по сравнению с Super-K, слабый сигнал нейтрино космических лучей статистически незначим при энергиях нейтрино ниже 1 ГэВ .
Большие эксперименты по физике частиц требуют большого сотрудничества. Приблизительно со 100 участниками SNO была довольно небольшой группой по сравнению с экспериментами на коллайдерах . Участвующие учреждения включали:
Хотя Chalk River Laboratories больше не является сотрудничающим учреждением, она руководила строительством акрилового сосуда, в котором хранится тяжелая вода, а Atomic Energy of Canada Limited была источником тяжелой воды.
46°28′30″с.ш. 81°12′04″з.д. / 46.47500°с.ш. 81.20111°з.д. / 46.47500; -81.20111 [12]
Медиа, связанные с нейтринной обсерваторией Садбери на Wikimedia Commons
.svg/1280px-Maple_Leaf_(from_roundel).svg.png){kind=small}
