Нейтринная обсерватория Садбери - Sudbury Neutrino Observatory

За пределами стандартной модели
CMS Higgs-event.jpg
Смоделированный Большой адронный коллайдер CMS данные детектора частиц, изображающие бозон Хиггса образуются сталкивающимися протонами, распадающимися на адронные струи и электроны
Стандартная модель
Эксперименты
Художественная концепция детектора СНО. (Любезно предоставлено SNO)

В Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) был нейтринная обсерватория расположен на 2100 м под землей в Вале с Крейтонская шахта в Садбери, Онтарио, Канада. Детектор был разработан для обнаружения солнечные нейтрино через их взаимодействие с большим резервуаром тяжелая вода.

Детектор был включен в мае 1999 г. и выключен 28 ноября 2006 г. Коллаборация SNO проработала несколько лет после этого, анализируя полученные данные.

Директор эксперимента, Арт Макдональд, был награжден Нобелевская премия по физике в 2015 г. за вклад эксперимента в открытие осцилляция нейтрино.[1]

Подземная лаборатория была преобразована в постоянный объект и теперь проводит несколько экспериментов в качестве СНОЛАБ. Само оборудование SNO в настоящее время ремонтируется для использования в СНО + эксперимент.

Экспериментальная мотивация

Смотрите также: Проблема солнечных нейтрино

Первые измерения количества солнечных нейтрино, достигающих Земли, были проведены в 1960-х годах, и во всех экспериментах до SNO было обнаружено на треть или половину нейтрино меньше, чем предсказывали ученые. Стандартная солнечная модель. Поскольку несколько экспериментов подтвердили этот дефицит, эффект стал известен как проблема солнечных нейтрино. В течение нескольких десятилетий было выдвинуто множество идей, чтобы попытаться объяснить эффект, одной из которых была гипотеза осцилляции нейтрино. Все детекторы солнечных нейтрино до SNO были чувствительны в первую очередь или исключительно к электронные нейтрино и не дал практически никакой информации о мюонные нейтрино и тау нейтрино.

В 1984 г. Херб Чен из Калифорнийский университет в Ирвине 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, а другая - только к электронным нейтрино. Таким образом, такой детектор мог бы напрямую измерять осцилляции нейтрино. Место в Канаде было привлекательным, потому что Атомная энергия Канады Лимитед, который поддерживает большие запасы тяжелой воды для поддержания своего Реактор CANDU электростанции, был готов ссудить необходимую сумму (на сумму Канадский доллар 330 000 000 по рыночным ценам) бесплатно.[3][4]

Шахта Крейтон в Садбери, одна из самых глубоких в мире и, соответственно, испытывающая очень небольшой фоновый поток радиации, была быстро определена как идеальное место для проведения эксперимента, предложенного Ченом.[3] и руководство шахты было готово предоставить место только за дополнительные расходы.[5]:440

Коллаборация SNO провела свою первую встречу в 1984 году. В то время она конкурировала с ТРИУМФ с Завод КАОН предложение о федеральном финансировании и большое количество университетов, поддерживающих SNO, быстро привели к его выбору для разработки. Официальное разрешение было дано в 1990 году.

В эксперименте наблюдался свет, производимый релятивистский электроны в воде, созданные нейтринными взаимодействиями. Когда релятивистские электроны проходят через среду, они теряют энергию, создавая конус синего света через Эффект Черенкова, и именно этот свет определяется непосредственно.

Описание детектора

Детектор нейтрино Садбери (любезно предоставлено SNO)
Широкоугольный вид изнутри извещателя (любезно предоставлено SNO)

Цели детектора СНО состояли из 1000 тонны (1,102 короткие тонны ) из тяжелая вода содержится в радиусе 6 метров (20 футов) акрил судно. Полость детектора вне сосуда была заполнена обычной водой, чтобы обеспечить как плавучесть для судна и радиационная защита. Тяжелую воду посмотрели примерно 9600 человек. фотоумножители (ФЭУ) на геодезический сфера в радиусе около 850 сантиметров (28 футов). Полость, в которой размещался детектор, была самой большой в мире на такой глубине,[6] требующие множества высокопроизводительных анкерное крепление методы предотвращения горных ударов.

Обсерватория расположена в конце 1,5-километровой (0,9 мили) дрейф, назвал «дрейф SNO», изолировав его от других горных работ. Вдоль штольни расположено несколько операционных и аппаратных, все они чистая комната параметр. Большая часть объекта Класс 3000 (менее 3000 частиц размером 1 мкм и более на 1 фут3 воздуха), но последняя полость, содержащая детектор, еще более строгая. Класс 100.[3]

Заряженное текущее взаимодействие

в заряженный ток взаимодействия нейтрино превращает нейтрон в дейтрон к протон. Нейтрино поглощается в реакции и образуется электрон. Солнечные нейтрино имеют энергию меньше массы мюоны и тау лептоны, поэтому в этой реакции могут участвовать только электронные нейтрино. Вылетевший электрон уносит большую часть энергии нейтрино, порядка 5–15МэВ, и обнаруживается. Образующийся протон не имеет достаточно энергии, чтобы его можно было легко обнаружить. Электроны, образующиеся в этой реакции, испускаются во всех направлениях, но они имеют небольшую тенденцию указывать назад в том направлении, откуда пришло нейтрино.

Взаимодействие нейтрального тока

в нейтральный ток При взаимодействии нейтрино диссоциирует дейтрон, разбивая его на составляющие нейтрон и протон. Нейтрино продолжается с немного меньшей энергией, и все три аромата нейтрино с равной вероятностью будут участвовать в этом взаимодействии. Тяжелая вода имеет небольшой поперечное сечение для нейтронов, но когда нейтроны захватываются ядром дейтерия, гамма-луч (фотон ) с энергией примерно 6 МэВ. Направление гамма-излучения совершенно не коррелирует с направлением нейтрино. Некоторые нейтроны, образующиеся из диссоциированных дейтронов, проходят через акриловый сосуд в легкую водную рубашку, 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 (что означает, что они не запускают фотоумножители), они не наблюдаются напрямую. Однако, когда гамма-излучение сталкивается с электроном посредством комптоновского рассеяния, ускоренный электрон может быть обнаружен посредством черенковского излучения.

Упругое рассеяние электронов

в упругое рассеяние При взаимодействии нейтрино сталкивается с атомным электроном и передает ему часть своей энергии. Все три нейтрино могут участвовать в этом взаимодействии за счет обмена нейтральным Z-бозон, и электронные нейтрино также могут участвовать с обменом заряженным W-бозон. По этой причине в этом взаимодействии преобладают электронные нейтрино, и это канал, по которому Супер-Камиоканде Детектор (Super-K) может наблюдать солнечные нейтрино. Это взаимодействие является релятивистским эквивалентом бильярд, и по этой причине образующиеся электроны обычно указывают в направлении движения нейтрино (от Солнца). Поскольку это взаимодействие происходит на атомных электронах, оно происходит с одинаковой скоростью как в тяжелой, так и в легкой воде.

Экспериментальные результаты и влияние

Первые научные результаты СНО опубликованы 18 июня 2001 г.[7][8] и представил первые четкие доказательства того, что нейтрино колеблются (т.е. что они могут превращаться друг в друга), когда они путешествуют от Солнца. Это колебание, в свою очередь, означает, что нейтрино имеют ненулевые массы. Полный поток всех ароматов нейтрино, измеренный SNO, хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями. Дальнейшие измерения, проведенные с тех пор SNO, подтвердили и улучшили точность первоначального результата.

Хотя Super-K опередила SNO, опубликовав доказательства осцилляции нейтрино еще в 1998 году, результаты Super-K не были окончательными и не касались конкретно солнечных нейтрино. Результаты SNO были первыми, кто прямо продемонстрировал осцилляции солнечных нейтрино. Это было важно для стандартной солнечной энергии более 1500 раз, а два других цитировались более 750 раз.[9] В 2007 г. Институт Франклина награжден директор СНО Арт Макдональд с Медаль Бенджамина Франклина по физике.[10] В 2015 году Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Артуру Б. Макдональду и Такааки Кадзита Токийского университета за открытие осцилляций нейтрино.[11]

Другие возможные анализы

Детектор SNO мог бы обнаруживать сверхновая звезда в нашей галактике, если бы он произошел, когда детектор был в сети. Поскольку нейтрино, испускаемые сверхновой, испускаются раньше, чем фотоны, можно предупредить астрономическое сообщество до того, как сверхновая станет видимой. SNO был одним из основателей Система раннего предупреждения о сверхновых (SNEWS) с Супер-Камиоканде и Детектор большого объема. Таких сверхновых пока не обнаружено.

Эксперимент SNO также смог наблюдать атмосферные нейтрино, произведенные космический луч взаимодействия в атмосфере. Из-за ограниченного размера детектора SNO по сравнению с Super-K, низкий нейтринный сигнал космических лучей не является статистически значимым при энергиях нейтрино ниже 1ГэВ.

Участвующие учреждения

Эксперименты по физике крупных частиц требуют большого сотрудничества. С примерно 100 сотрудниками SNO была довольно маленькой группой по сравнению с коллайдерные эксперименты. Участвующие учреждения включали:

Канада

Хотя больше не сотрудничающее учреждение, Лаборатории Чок-Ривер возглавил строительство акрилового сосуда, вмещающего тяжелую воду, и Атомная энергия Канады Лимитед был источником тяжелой воды.

объединенное Королевство

Соединенные Штаты

Почести и награды

Смотрите также

  • DEAP - Эксперимент с темной материей с использованием формы импульса аргона в локации SNO
  • Домашний эксперимент - Предыдущий эксперимент, проведенный в 1970–1994 годах на шахте в Лиде, Южная Дакота.
  • СНО + - Преемник СНО
  • СНОЛАБ - Вокруг СНО строится постоянная подземная физическая лаборатория.

Рекомендации

Координаты: 46 ° 28′30 ″ с.ш. 81 ° 12′04 ″ з.д. / 46.47500 ° с.ш.81.20111 ° з. / 46.47500; -81.20111[13]

  1. ^ «Нобелевская премия 2015 года по физике: канадец Артур Б. Макдональд делит победу с японцем Такааки Кадзита». CBC Новости. 2015-10-06.
  2. ^ Чен, Герберт Х. (сентябрь 1984 г.). «Прямой подход к решению проблемы солнечного нейтрино». Письма с физическими проверками. 55 (14): 1534–1536. Bibcode:1985ПхРвЛ..55.1534С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.55.1534. PMID  10031848.
  3. ^ а б c «Нейтринная обсерватория Садбери - взгляд Канады на вселенную». ЦЕРН Курьер. ЦЕРН. 4 декабря 2001 г.. Получено 2008-06-04.
  4. ^ «Тяжелая вода». 31 января 2006 г.. Получено 2015-12-03.
  5. ^ Джелли, Ник; Макдональд, Артур Б.; Робертсон, Р. Хэмиш (2009). "Нейтринная обсерватория Садбери" (PDF). Ежегодный обзор ядерной науки и физики элементарных частиц. 59: 431–65. Bibcode:2009ARNPS..59..431J. Дои:10.1146 / annurev.nucl.55.090704.151550. Хорошая ретроспектива проекта.
  6. ^ Брюэр, Роберт. «Глубокая сфера: уникальный структурный дизайн обсерватории Нейтрино Садбери, погребенной под землей». Канадский инженер-консультант.
  7. ^ Ахмад, QR; и другие. (2001). "Измерение скорости νе + d → п + п + е− Взаимодействия, произведенные 8B Солнечные нейтрино в нейтринной обсерватории Садбери ». Письма с физическими проверками. 87 (7): 071301. arXiv:nucl-ex / 0106015. Bibcode:2001ПхРвЛ..87г1301А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.87.071301. PMID  11497878.
  8. ^ "Первые научные результаты нейтринной обсерватории Садбери". 3 июля 2001 г.. Получено 2008-06-04.
  9. ^ "Результаты SPIERS HEP". SPIERS. SLAC. Получено 2009-10-06.[постоянная мертвая ссылка ]
  10. ^ "Артур Б. Макдональд, доктор философии". База данных лауреатов Франклина. Институт Франклина. Архивировано из оригинал на 2008-10-04. Получено 2008-06-04.
  11. ^ «Нобелевская премия по физике 2015 г.». Получено 2015-10-06.
  12. ^ «Победители прошлого - Нейтринная обсерватория Садбери». NSERC. 3 марта 2008 г.. Получено 2008-06-04.
  13. ^ Справочник пользователя SNOLAB Ред. 2 (PDF), 2006-06-26, стр. 33, получено 2013-02-01

внешняя ссылка