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薩德伯里微中子觀測站

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薩德伯里中微子觀測站。

坐标46°29′26″N 80°59′39″W / 46.49056°N 80.99417°W / 46.49056; -80.99417

薩德伯里微中子觀測站英语:Sudbury Neutrino Observatory,缩写为SNO)是位於加拿大安大略省薩德伯里2100米深的矿中的中微子觀測站。因為對於中微子振盪的發現做出重大貢獻,SNO實驗主任阿瑟·麥克唐納榮獲2015年諾貝爾物理學獎。薩德伯里微中子觀測站的建立是為了要研究太陽中微子問題[1]。觀測站的中微子探測器主要是用來探測太陽中微子,通過它們與重水的相互作用。探測器從1999年5月開始啟用,直到2006年11月為止。雖然探測器已停止運作,在未來數年中,SNO團隊仍會繼續分析在那段時期獲得的數據。現今(2015年),已被擴充的地下實驗室仍舊繼續被用來進行其它SNOLAB實驗。SNO的設備正在整修,準備未來用於SNO+英语SNO+實驗。

實驗動機[编辑]

早於1960年代,就已有實驗獲得關於太陽中微子抵達地球的測量數據。在SNO實驗之前,所有實驗都只觀測到大約為標準太陽模型所預測的中微子數量的1/3至1/2[2]。這效應被稱為太陽中微子問題。幾十年來,很多理論被提出來解釋這效應。其中一個是中微子振盪假說。

1984年,爾灣加州大學物理學教授赫伯特·陳英语Herbert Chen最先指出,重水是製作太陽中微子探測器的優良材料。與其它先前探測器不同,使用重水為材料的探測器能夠感受到兩種反應,一種會感受到所有風味的中微子,另一種只會感受到電中微子,因此,這探測器可以直接測量中微子振盪。薩德伯里的科瑞頓礦井英语Creighton Mine是全世界最深的礦之一,背景輻射非常低,因此很快地就被確認為安置赫伯特·陳所提議的實驗的理想地點。同年,SNO團隊舉行第一次會議。1990年,實驗計畫正式被批准。[3]

在這實驗裏,當中微子與重水相互作用時,會出現相對論性電子以高速度移動經過重水,因切连科夫效应而產生藍色光錐。中微子探測器可以直接探測到這藍色光波。[4]

探測器細節[编辑]

SNO探測器的主要部分是一个直径12米的球形容器,里面装有1000吨重水,容器壁用丙烯酸脂制成,厚度为5厘米,在容器的外面有一個直徑17米的測地球英语geodesic sphere,在測地球裏面安装了9600个光电倍增管,用於探测切连科夫辐射。為了給予浮力與輻射屏蔽,整个探测器浸泡在直徑22米34米高的装满普通水的圆柱形腔中,在全世界裏,這麼深的地下腔之中,這是最大的地下腔[5],為了預防岩爆英语rock burst,需要使用高功能锚杆支护英语rock bolt技術。安装在安大略省薩德伯里的科瑞頓礦井裏,深度达到2100米,这样做的目的是利用地层对宇宙线进行屏蔽,以减轻干扰。[6][3]

SNO的控制室與設備室都維持在潔淨室狀況。整個設施大部分維持在級別 3000標準的潔淨度,即尺寸不小於1 μm的粒子少於3000個每1 m3空氣;載有探測器的圓柱形腔維持在級別 1000標準的潔淨度。[3]

電性流相互作用[编辑]

電性流英语charged current相互作用裏,中微子將重氫裏的中子變為質子,並且釋出一個電子

其中,是電微中子,是重氫,是質子,是電子。

太陽中微子的能量小於緲子濤子的質量,因此只有電中微子能夠參與反應。釋出的電子會帶走中微子的大部分能量,由於這能量相當強大,電子會以相對論性速度被發射出來。由於這速度大於光子移動於水中的速度,因此會產生切连科夫辐射,可以被光电倍增管探測到,而輻照度則與入射中微子的能量呈正比。釋出的電子朝著所有方向發射,但它們稍微比較青睞朝著中微子源的方向發射。標準太陽模型預言,SNO實驗每日大約會發生30個電性流事件。[4][7]

中性流相互作用[编辑]

中性流相互作用裏,中微子離解重氫,將其分裂成中子、質子:

其中,是任意一種中微子,是中子。

中微子因此會失去一些能量,但仍舊繼續存在。三種中微子參與這相互作用的可能性都相同。中子的捕獲截面會隨著中子的慢化而增加。隨著中子接連地散射於重水,中子的能量會降低,速度越來越慢,最終會被水的原子核捕獲,同時發射出伽瑪射線,其與電子發生散射,傳輸能量給電子,從而產生可被探測的切连科夫輻射。慢化過程摧毀了所有能量信息與方向信息。SNO實驗發展出兩種方法來改善探測效率。一種方法使用氦-3正比計數器,另一種方法使用氯鹽。標準太陽模型預言,SNO實驗每日大約會發生30個中性流事件。[4][8]:28

電子彈性散射[编辑]

在電子彈性散射英语elastic scattering裏,中微子與束縛於原子裏的電子發生碰撞:

在這過程裏,中微子會傳輸給電子一些能量。所有三種中微子都能參與這相互作用,這是通過交換中性Z玻色子,電中微子也可通過交換電性W玻色子參與這相互作用,這使得電中微子的反應截面增加6至7倍。因此,電子彈性散射的主要參與者是電中微子。由於這相互作用就好似撞球的相對論性版本,生成的電子的移動方向通常會與中微子移動方向一樣(朝著遠離太陽的方向)。由於這種相互作用發生在束縛於原子的電子,它在重水與輕水都會發生。標準太陽模型預言,SNO實驗每日大約會發生3個電子散射事件。[4][8]:28

實驗結果與影響[编辑]

2001年6月18日,SNO首次發表科學結果,首先給出中微子振盪的明確證據。[9][10]這結果意味著中微子的質量不等於零。SNO觀測到的所有中微子的總通量符合理論預言。之後,更多SNO實驗結果確定與改善原本結果。

雖然超級神岡探測器捷足先登,早在1998年就發表中微子振盪的證據,它的結果並非終極結果,並且不是專注於觀測太陽中微子。SNO的結果首先直接展示太陽中微子的震盪。對於標準太陽模型,這結果具有關鍵性作用。SNO發表的兩篇論文已被引用超過1,500 次,另外兩篇論文也已被引用超過750次,從此可以知悉SNO結果在這領域所造成的重大影響。[11]2007年,富蘭克林學院英语Franklin Institute頒授物理學的富蘭克林獎章給SNO主任阿瑟·麥克唐納[12]由於「發現了微中子震盪,並因此證明了微中子具有質量」,麥克唐納分享2015 年諾貝爾物理學獎。[13]

更多功能[编辑]

當SNO探測器工作時,它可以探測到發生於銀河系內的超新星。由於中微子的釋出時間會比光子早很多,天文團體可以提早警覺到超新星光學事件將會發生。SNO是超新星早期預警系統(SNEWS)的創始成員之一。尚未發生任何超新星預警事件。[3]

SNO實驗能夠觀測到宇宙射線與在大氣層產生的大氣中微子。與超級神岡探測器相比較,由於SNO探測器的尺寸大小比較有限,能量低於1 GeV的宇宙射線中微子信號不具有統計顯著性。 [3]

參閱[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Day, Charles. Takaaki Kajita and Arthur McDonald share 2015 Physics Nobel Prize. Physics Today. 7 October 2015. Established in 1984 in an abandoned nickel mine, the Sudbury Neutrino Observatory was conceived to resolve the solar neutrino problem. 
  2. ^ Bahcall, John. Solving the Mystery of the Missing Neutrinos. Nobelprize.org. Nobel Media. 2015. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 The Sudbury Neutrino Observatory – Canada's eye on the universe. CERN Courier. CERN. 4 December 2001 [2008-06-04]. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 The SNO Detector. Sudbury Neutrino Observatory. 2015. 
  5. ^ Brewer, Robert. Deep Sphere: The unique structural design of the Sudbury Neutrinos Observatory buried within the earth. Canadian Consulting Engineer. 
  6. ^ First Results from the Sudbury Neutrino Observatory Explain the Missing Solar Neutrinos and Reveal New Neutrino Properties. Sudbury Neutrino Observatory. 18 June 2001. 
  7. ^ SNO Collaboration. Measurement of the rate of nu_e + d --> p + p + e^- interactions produced by 8B solar neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory. Phys. REv. Lett. 25 July 2001, 87 (7): 071301. doi:10.1103/PhysRevLett.87.071301. CC electrons are expected to have a distribution which is (1-0.340 cos θ), before accounting for detector response.  参数|quote=值左起第76位存在line feed character (帮助)
  8. ^ 8.0 8.1 Thornewell, Peter. Neutral Current Detectors for the Sudbury Neutrino Observatory (PDF) (Thesis). Oxford University. 1997. 
  9. ^ Ahmad, QR; 等. Measurement of the Rate of νe + dp + p + e Interactions Produced by 8B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory. Physical Review Letters. 2001, 87 (7): 071301. arXiv:nucl-ex/0106015. Bibcode:2001PhRvL..87g1301A. doi:10.1103/PhysRevLett.87.071301. 
  10. ^ Sudbury Neutrino Observatory First Scientific Results. 3 July 2001 [2008-06-04]. 
  11. ^ SPIRES HEP Results. SPIRES. SLAC. [2009-10-06]. 
  12. ^ Arthur B. McDonald, Ph.D.. Franklin Laureate Database. Franklin Institute. [2008-06-04]. 
  13. ^ The Nobel Prize in Physics 2015. [2015-10-06]. 

外部链接[编辑]