Обсерватория Камиока , Институт исследования космических лучей , Токийский университет (神岡宇宙素粒子研究施設, Камиока Учу Сорюши Кенкю Шисэцу , японское произношение: [kamioka ɯtɕɯː soɾʲɯꜜːɕi ) keŋkʲɯː ɕiseꜜtsɯ] ) — лаборатория нейтрино и гравитационных волн , расположенная под землей в шахте Модзуми горно-металлургической компании Камиока недалеко от участка Камиока города Хида в префектуре Гифу , Япония . За последние два десятилетия в обсерватории был проведен ряд новаторских экспериментов с нейтрино . Все эксперименты были очень масштабными и внесли значительный вклад в развитие физики элементарных частиц , в частности в изучение нейтринной астрономии и нейтринных осцилляций .
Шахта Mozumi — одна из двух соседних шахт, принадлежащих Kamioka Mining and Smelting Co. (дочерней компании Mitsui Mining and Smelting Co. Mitsui Kinzoku Архивировано 14 ноября 2016 г. в Wayback Machine ). [1] : 1 Шахта известна как место одного из крупнейших массовых отравлений в истории Японии . С 1910 по 1945 год операторы шахты сбрасывали кадмий с перерабатывающего завода в местную воду. Этот кадмий вызвал то, что местные жители называли болезнью итай-итай . Болезнь вызывала ослабление костей и сильную боль.
Хотя горнодобывающие работы прекратились, плавильный завод продолжает перерабатывать цинк , свинец и серебро из других рудников и перерабатывать их. [1] : 2, 6–7
Хотя все текущие эксперименты проводятся в северной шахте Мозуми, шахта Точибора в 10 км к югу [2] : 9 также доступна. Она не такая глубокая, но имеет более прочную породу [1] : 22, 24, 26 и является запланированным местом для очень больших пещер Hyper-KamiokaNDE. [2] [3] : 19
Первый из экспериментов Камиока был назван KamiokaNDE ( Kamioka Nucleon Decay Experiment) . Это был большой водный черенковский детектор, разработанный для поиска распада протона . Чтобы наблюдать распад частицы со временем жизни , равным времени жизни протона, эксперимент должен проводиться в течение длительного времени и наблюдать огромное количество протонов. Это можно сделать наиболее экономически эффективно, если мишень (источник протонов) и сам детектор сделаны из одного и того же материала. Вода является идеальным кандидатом, поскольку она недорога, легко очищается, стабильна и может обнаруживать релятивистские заряженные частицы посредством производства ими черенковского излучения . Детектор распада протона должен быть зарыт глубоко под землей или в горе, поскольку фон от мюонов космических лучей в таком большом детекторе, расположенном на поверхности Земли, был бы слишком большим. Скорость мюонов в эксперименте KamiokaNDE составляла около 0,4 событий в секунду, что примерно на пять порядков меньше, чем если бы детектор был расположен на поверхности. [4]
Отчетливый рисунок, создаваемый излучением Черенкова, позволяет идентифицировать частицы , что является важным инструментом как для понимания потенциального сигнала распада протона, так и для отбрасывания фонов. Идентификация возможна, поскольку резкость края кольца зависит от частицы, производящей излучение, или электроны (и, следовательно, также гамма-лучи ) производят размытые кольца из-за многократного рассеяния электронов с малой массой. Минимально ионизирующие мюоны , напротив, производят очень резкие кольца, поскольку их более тяжелая масса позволяет им распространяться напрямую.
Строительство подземной обсерватории Камиока (предшественницы нынешней обсерватории Камиока, Института исследований космических лучей, Токийского университета ) началось в 1982 году и было завершено в апреле 1983 года. Детектор представлял собой цилиндрический резервуар , вмещавший 3000 тонн чистой воды и имевший около 1000 фотоумножительных трубок (ФЭУ) диаметром 50 см, прикрепленных к внутренней поверхности. Размер внешнего детектора составлял 16,0 м в высоту и 15,6 м в диаметре. Детектор не смог наблюдать распад протона, но установил то, что было лучшим в мире пределом на время жизни протона.
КамиокаНДЭ-I действовал в 1983–1985 годах.
Эксперимент KamiokaNDE-II был большим шагом вперед по сравнению с KamiokaNDE и позволил сделать значительное количество важных наблюдений. KamiokaNDE-II работал в 1985–1990 годах.
В 1930-х годах Ганс Бете и Карл Фридрих фон Вайцзеккер выдвинули гипотезу, что источником энергии Солнца являются реакции синтеза в его ядре. Хотя эта гипотеза была широко принята в течение десятилетий, не было никакого способа наблюдать ядро Солнца и напрямую проверить гипотезу . Эксперимент Рэя Дэвиса в Хоумстейке был первым, в котором были обнаружены солнечные нейтрино — весомое доказательство того, что ядерная теория Солнца верна. В течение десятилетий эксперимент Дэвиса последовательно наблюдал только около 1/3 числа нейтрино, предсказанных Стандартными солнечными моделями его коллеги и близкого друга Джона Бакалла . Из-за большой технической сложности эксперимента и его зависимости от радиохимических методов, а не прямого обнаружения в реальном времени, многие физики с подозрением отнеслись к его результату.
Было решено, что большой водный черенковский детектор может быть идеальным детектором нейтрино по нескольким причинам. Во-первых, огромный объем, возможный в водном черенковском детекторе, может преодолеть проблему очень малого поперечного сечения солнечных нейтрино 5-15 МэВ . Во-вторых, водные черенковские детекторы обеспечивают обнаружение событий в реальном времени. Это означало, что отдельные события-кандидаты на взаимодействие нейтрино с электроном можно было изучать на основе событий, что резко отличалось от ежемесячных наблюдений, требуемых в радиохимических экспериментах. В-третьих, при взаимодействии рассеяния нейтрино с электроном электрон отскакивает примерно в том направлении, в котором двигалось нейтрино (подобно движению бильярдных шаров), поэтому электроны «указывают обратно» на Солнце. В-четвертых, рассеяние нейтрино с электроном является упругим процессом, поэтому можно изучать распределение энергии нейтрино, дополнительно проверяя солнечную модель. В-пятых, характерное "кольцо", создаваемое черенковским излучением, позволяет различать сигнал на фоне. Наконец, поскольку эксперимент черенковского излучения с водой будет использовать другую цель, процесс взаимодействия, технологию детектора и местоположение, это будет очень дополнительным испытанием результатов Дэвиса.
Было ясно, что KamiokaNDE можно использовать для проведения фантастического и нового эксперимента, но сначала нужно было решить серьезную проблему. Наличие радиоактивного фона в KamiokaNDE означало, что детектор имел энергетический порог в десятки МэВ . Сигналы, производимые распадом протонов и взаимодействием атмосферных нейтрино, значительно больше этого, поэтому оригинальному детектору KamiokaNDE не нужно было быть особенно агрессивным в отношении своего энергетического порога или разрешения . Проблема была решена двумя способами. Участники эксперимента KamiokaNDE спроектировали и построили новые системы очистки воды, чтобы снизить радоновый фон, и вместо того, чтобы постоянно циклировать детектор со «свежей» шахтной водой, они держали воду в резервуаре, позволяя радону распадаться. Группа из Университета Пенсильвании присоединилась к сотрудничеству и поставила новую электронику с гораздо более превосходными возможностями синхронизации. Дополнительная информация, предоставленная электроникой, еще больше улучшила способность отличать сигнал нейтрино от радиоактивного фона. Еще одним усовершенствованием стало расширение полости и установка инструментального «внешнего детектора». Дополнительная вода обеспечивала защиту от гамма-лучей из окружающей породы , а внешний детектор обеспечивал запрет на мюоны космических лучей. [4] [5]
После завершения модернизации эксперимент был переименован в KamiokaNDE-II и начал собирать данные в 1985 году. Эксперимент потратил несколько лет на борьбу с проблемой радона и начал собирать «производственные данные» в 1987 году. После того, как были накоплены данные за 450 дней, эксперимент смог увидеть явное увеличение числа событий, которые указывали от Солнца в случайных направлениях. [4] Информация о направлении была неопровержимым доказательством солнечных нейтрино, впервые напрямую демонстрирующим, что Солнце является источником нейтрино. Эксперимент продолжал собирать данные в течение многих лет и в конечном итоге обнаружил, что поток солнечных нейтрино составляет около 1/2 от предсказанного солнечными моделями. Это противоречило как солнечным моделям, так и эксперименту Дэвиса, который продолжался в то время и продолжал наблюдать только 1/3 предсказанного сигнала. Этот конфликт между потоком, предсказываемым солнечной теорией , и радиохимическими и водными черенковскими детекторами стал известен как проблема солнечных нейтрино .
Поток атмосферных нейтрино значительно меньше потока солнечных нейтрино, но поскольку сечения реакции увеличиваются с энергией, они обнаруживаются в детекторе размера KamiokaNDE-II. Эксперимент использовал «отношение отношений» для сравнения отношения электронных и мюонных нейтрино с отношением, предсказанным теорией (эта техника используется, поскольку многие систематические ошибки компенсируют друг друга). Это отношение указывало на дефицит мюонных нейтрино, но детектор был недостаточно большим, чтобы получить статистику, необходимую для того, чтобы назвать результат открытием . Этот результат стал известен как дефицит атмосферных нейтрино .
Эксперимент Kamiokande-II проводился в особенно удачное время, поскольку сверхновая взорвалась, когда детектор был в сети и собирал данные . С учетом проведенных обновлений детектор стал достаточно чувствительным, чтобы наблюдать тепловые нейтрино, произведенные сверхновой 1987A , которая произошла примерно в 160 000 световых лет от нас в Большом Магеллановом Облаке . Нейтрино прибыли на Землю в феврале 1987 года, и детектор Kamiokande-II зафиксировал 11 событий.
KamiokaNDE-II продолжил поиски KamiokaNDE распада протона и снова не смог его наблюдать. Эксперимент снова установил нижнюю границу периода полураспада протона.
Последняя модернизация детектора, KamiokaNDE-III, работала в 1990–1995 годах.
За свою работу по руководству экспериментами в Камиоке и, в частности, за первое в истории обнаружение астрофизических нейтрино Масатоси Кошиба был удостоен Нобелевской премии по физике в 2002 году. Лауреатами премии стали Рэймонд Дэвис-младший и Риккардо Джаккони .
Эксперимент KEK To Kamioka [6] использовал ускорительные нейтрино для проверки осцилляций, наблюдаемых в сигнале атмосферных нейтрино, с хорошо контролируемым и понятным пучком. Пучок нейтрино был направлен от ускорителя KEK к Super KamiokaNDE. Эксперимент обнаружил параметры осцилляций, которые соответствовали параметрам, измеренным Super-K.
К 1990-м годам физики-частицы начали подозревать, что проблема солнечных нейтрино и дефицит атмосферных нейтрино как-то связаны с осцилляциями нейтрино . Детектор Супер-Камиоканде был разработан для проверки гипотезы осцилляции как для солнечных, так и для атмосферных нейтрино. Детектор Супер-Камиоканде огромен даже по меркам физики элементарных частиц. Он состоит из 50 000 тонн чистой воды, окруженной примерно 11 200 фотоумножительными трубками. Детектор снова был спроектирован как цилиндрическая структура, на этот раз высотой 41,4 м (136 футов) и шириной 39,3 м (129 футов). Детектор был окружен значительно более сложным внешним детектором, который мог не только действовать как вето для космических мюонов, но и фактически помогать в их реконструкции.
Super-Kamiokande начал сбор данных в 1996 году и провел несколько важных измерений. Они включают в себя точное измерение потока солнечных нейтрино с использованием упругого рассеивающего взаимодействия, первое очень сильное доказательство атмосферных нейтринных осцилляций и значительно более строгий предел распада протона.
За работу над Super Kamiokande Такааки Кадзита разделил Нобелевскую премию 2015 года с Артуром Макдональдом .
12 ноября 2001 года несколько тысяч фотоумножительных трубок в детекторе Супер-Камиоканде взорвались , по-видимому, в результате цепной реакции , поскольку ударная волна от сотрясения каждой взрывающейся трубки раскалывала соседние. Детектор был частично восстановлен путем перераспределения фотоумножительных трубок, которые не взорвались, и путем добавления защитных акриловых оболочек, которые, как надеялись, предотвратят повторение другой цепной реакции. Данные, полученные после взрыва, называются данными Супер-Камиоканде-II .
В июле 2005 года началась подготовка к восстановлению детектора до его первоначального вида путем переустановки около 6000 новых ФЭУ. Она была завершена в июне 2006 года. Данные, полученные с помощью недавно восстановленной машины, были названы набором данных SuperKamiokande-III .
В сентябре 2008 года детектор завершил свою последнюю крупную модернизацию с использованием современной электроники и усовершенствований динамики водной системы, калибровки и методов анализа. Это позволило SK получить свой самый большой набор данных ( SuperKamiokande-IV ), который продолжался до июня 2018 года, когда будет проведена новая реконструкция детектора, включающая полный слив воды из резервуара и замену электроники, ФЭУ, внутренних структур и других частей.
Эксперимент с длинной базой «Tokai To Kamioka» начался в 2009 году. Он проводит точные измерения параметров колебаний атмосферных нейтрино и помогает установить значение θ 13 . Он использует пучок нейтрино, направленный на детектор Super Kamiokande из 50- ГэВ (в настоящее время 30 ГэВ) протонного синхротрона Японского адронного комплекса в Токае таким образом, что нейтрино проходят общее расстояние 295 км (183 мили).
В 2013 году T2K впервые наблюдал нейтринные осцилляции в канале появления: трансформацию мюонных нейтрино в электронные нейтрино. [7] В 2014 году коллаборация предоставила первые ограничения на значение CP-нарушающей фазы, а также наиболее точное измерение угла смешивания θ 23 . [8]
Эксперимент KamLAND представляет собой жидкостный сцинтилляционный детектор, предназначенный для обнаружения реакторных антинейтрино . KamLAND является дополнительным экспериментом к нейтринной обсерватории Садбери, поскольку в то время как эксперимент SNO имеет хорошую чувствительность к солнечному углу смешивания , но плохую чувствительность к квадрату разности масс, KamLAND имеет очень хорошую чувствительность к квадрату разности масс и плохую чувствительность к углу смешивания. Данные двух экспериментов могут быть объединены, пока CPT является допустимой симметрией нашей Вселенной . Эксперимент KamLAND расположен в исходной полости KamiokaNDE.
CLIO — небольшой детектор гравитационных волн с длиной плеч 100 м (330 футов), который недостаточно велик для обнаружения астрономических гравитационных волн, но является прототипом технологий криогенных зеркал для более крупного детектора KAGRA.
Детектор гравитационных волн KAmioka (ранее LCGT, Крупномасштабный криогенный гравитационно-волновой телескоп) был одобрен в 2010 году, раскопки были завершены в марте 2014 года [9] , а первая фаза будет введена в эксплуатацию в 2016 году. Это лазерный интерферометр с двумя плечами, каждое длиной 3 км, и после завершения строительства около 2018 года он будет иметь запланированную чувствительность для обнаружения сливающихся двойных нейтронных звезд на расстоянии сотен Мпк .
XMASS — это подземный эксперимент с жидким сцинтиллятором в Камиоке. Он занимается поиском темной материи .
NEWAGE — это эксперимент по поиску темной материи с учетом направления, проводимый с использованием газовой микровременно-проекционной камеры. [10] [11]
Существует программа [3] по созданию детектора в десять раз большего, чем Супер Камиоканде, и этот проект известен под названием Гипер-Камиоканде . Первый резервуар будет готов к эксплуатации в середине 2020-х годов. [12] На момент «инаугурации» в 2017 году было объявлено, что резервуар(ы) будут в 20 раз больше предыдущего (1000 миллионов литров в Гипер-Камиоканде против 50 миллионов в Супер-Камиоканде ).
36 ° 25,6' с.ш., 137 ° 18,7' в.д. / 36,4267 ° с.ш., 137,3117 ° в.д. / 36,4267; 137,3117 ( Гора Икено (Икенояма)) (Гора Икено)