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超级神冈探测器

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坐标36°25′32.6″N 137°18′37.1″E / 36.425722°N 137.310306°E / 36.425722; 137.310306[1]

超级神冈探测器英语:Super-KamiokaNDE,可縮寫為Super-KSK日语スーパーカミオカンデ),全名為超級神岡微中子探測實驗Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment),是日本東京大學岐阜縣飛驒市神岡町的茂住礦山一个深达1000米的废弃矿中建造的大型中微子探测器。其目标是探测质子衰变[2][3][4][5][6][7][8]以及被设计来寻找太阳、地球大气的中微子,并观测銀河系超新星爆发

描述[编辑]

超级神冈探测器位于飞驒市神冈町的茂住山1,000米(3,300尺)的地下。之所以蓋在如此深的地層中是因為要阻隔其他的宇宙射線訊號[9]。該設施主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的不鏽鋼圆柱形的容器,盛有5万吨高纯度的水。水箱容量被分成由一个直径为33.8米(111尺)和高度为36.2米(119尺)的不锈钢上层结构的内部探测器(ID)区,和包括其余结构的外部探测器(OD)区。容器的内壁上安装有11200个光电倍增管,用于探测高速中微子在水中通过时产生的切连科夫辐射

探测器[编辑]

超级神冈(SK)是用来研究从不同的来源中微子切连科夫輻射的一个探测器,包括太阳,超新星,大气,和加速器的质子衰变。实验开始于1996年4月,并于2001年7月停车检修,这一段时期被称为“SK-I”阶段。由于在维修过程中发生意外事故,实验在2002年10月继续,只有原来一半数量的光电倍增管。为了防止再发生意外事故,所有的光电倍增管都被覆盖的纤维增强塑料(FRP)与丙烯酸的前窗。这一阶段是从2002年10月到2005年10月为整个重建而做另一次关闭的阶段,被称为“SK-II”阶段。2006年7月,实验恢复了光电倍增管的完整数目,并在2008年9月停止实验而做电子設備的升级。这一时期被称为“SK3-III”阶段。2008年后的时期被称为“SK-IV”阶段。所有阶段和它们的主要特性汇总于表1[10]

神冈探测器(KamiokaNDE)的一个模型。
表1
阶段 SK-I SK-II SK-III SK-IV
时期 开始 1996年4月 2002年10月 2006年7月 2008年9月
结束 2001年7月 2005年10月 2008年9月 (运行中)
光电倍增管数量 ID 11146 (40%) 5182 (19%) 11129 (40%) 11129 (40%)
OD 1885
抗爆裂容器
OD 分段
前端電子設備 ATM (ID) QBEE
OD QTC (OD)

歷史[编辑]

这台探测器最初名为神冈核子衰变实验(KamiokaNDE),于1982年开始建造,1983年完工,圆柱形容器高16米,直径15.6米,装有3000吨水和大约1000只光电倍增管,目的是探测粒子物理学中的一个基本问题——质子衰变。1985年,探测器开始进行扩建,名为神冈核子衰变实验II期(KamiokaNDE-II),灵敏度大大提高。1987年2月,神冈探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦云超新星1987A爆发时产生的中微子,这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子。

尽管神冈探测器最初探测质子衰变的目标始终没有实现,但却可以接收来自太阳中微子,并且测量其入射的方向,研究太阳中微子缺失问题。20世纪90年代,神冈观测台耗资一亿美元建造了更大的探测器,名为超级神冈探测器(Super-KamiokaNDE),它的探测物质增加到了 50000 吨高度纯净的水。一句话总结,探测器在各方面都有了长足的改进。超级神冈探测器于1996年开始观测,其后自1998年起,超级神岡探测器开始发布探测结果。1998年,超级神冈探测器的领导者、日本科学家小柴昌俊发表了测量结果,给出中微子振荡的首个确切证据[11],认为中微子在三种不同“”之间是可以相互转换的,这也表明中微子是有质量的,而不是粒子物理标准模型中预言的零质量粒子。2002年,超级神冈探测器证实反应堆中产生的中微子发生了振荡。这个探测结果在中微子天文学粒子物理学中具有里程碑式的意义,小柴昌俊因此获得2002年的诺贝尔物理学奖

2001年11月12日,超级神冈探测器数千只光电倍增管由于连锁反应突然爆裂,随后工作人员重新排列了未损坏的光电倍增管,使其恢复了一部分工作能力,并加上了聚甲基丙烯酸甲酯保护壳,防止其进一步损坏。2005年7月到2006年6月,超级神冈探测器重新安装了6000只光电倍增管。

相關研究[编辑]

太陽微中子[编辑]

太陽的能量來自其內核質子核融合反應,其中4個質子產生1個原子與1個電子微中子。由此反應釋出之微中子被稱作太陽微中子。在太陽中心核融合反應產生的光子需要花上好幾百萬年才能抵達太陽表面,至於太陽微中子則因為與其他物質之交互作用甚弱,僅需8分鐘即可抵達地球。所以,我們可藉由觀測太陽微中子來得知太陽內部之即時狀態,而不需等數百萬年後光子的抵達[12]

在1999年,超級神岡探測器偵測到中微子震盪的強烈證據,成功地解釋了太陽中微子問題。包括太陽在內的80%可見恆星藉由以下反應將轉換為氦並產生能量:

其中電子微中子。因此,包括我們的太陽在內的恆星們是微中子的來源之一。這些電子微中子主要來自質子﹣質子鏈反應而形成較低的質量,至於溫度較低的恆星則會藉由碳氮氧循環反應產生較重的電子微中子。

在1990年代早期,由於Kamioka II與Ga實驗的初始數據的不確定性,沒有任何單一的實驗需要用太陽中微子問題的非天文物理解作解釋。但若同時分析Cl、Kamioka II、以及Ga實驗的數據,會發現一種無法利用微調標準太陽模型(SSM)來解釋的微中子通量模式。而這反過來激勵了新一代的主動偵測器們,包含超級神岡探測器、薩德伯里微中子觀測站、以及Borexino英语Borexino實驗。其中超級神岡探測器可偵測彈性散射 (ES)事件:

由於電子微中子散射造成的電流效應,該反應之電子微中子與重“”微中子的相對靈敏度比約為7:1[13]。由於反彈電子之運動方向被限制在絕對前方,微中子的行進方向被保持與反彈電子的方向一致。由此可得,其中表示反彈電子運動方向與太陽方位之間的夾角。這說明了太陽微中子通量可被計算為:

這個預測值與標準太陽模型預測值之比率為:

[14]

以上結果表明了太陽微中子的缺失。

大氣微中子[编辑]

大氣微中子是由原生宇宙線(主要是質子)與地球大氣交互作用產生的衍生宇宙線。我們可將觀測到的大氣微中子分成四類。全部包含事件(Fully contained, FC)之所有路徑皆包含在內層探測器內部,而部分包含事件(partially contained, PC)則有路徑從內層探測器中漏出;渺子向上貫通事件(Upward through-going muons, UTM)產生於探測器底部的岩層,並向上貫穿探測器。渺子向上停止事件(Upward stopping muons, USM)亦產生於探測器底部的岩層,但其路徑停止於內層探測器內部。

微中子觀測數量之理論預測值並不隨天頂角而改變,而是呈一定值。然而,超級神岡探測器於1998年發現,從偵測器下方進來的渺子微中子(產生於地球另一側)被觀測到的數量是從偵測器上方進來的渺子微中子數量的一半。這個結果可被解釋成微中子轉變或震盪至其他種類的未偵測微中子,這個現象被稱作微中子震盪。此發現表示微中子具有有限質量,並暗示著標準模型需要被延伸。微中子在三種「」之間震盪,而且各種微中子皆有其靜止質量[9]。於2004年的進一步分析顯示,事件發生率是長度除以能量的函數,並有著正弦函數的對應關係,確認了微中子震盪理論[15]

K2K實驗[编辑]

K2K實驗英语K2K experiment是一個從1999年6月進行至2004年11月的微中子實驗。該實驗用於確認超級神岡探測器對渺子微中子震盪的觀測數據,並首次在輻射源與偵測器皆受控制的情況之下得出了渺子微中子震盪的正面測量結果。超級神岡探測器在該次實驗計畫的重要角色為「遠偵測器」。K2K實驗的第二代計畫為T2K實驗

T2K實驗[编辑]

T2K實驗英语T2K experimentTokai to Kamioka東海神岡之意)是一個由日本美國俄羅斯等11國參與的國際性合作微中子實驗[16]。T2K實驗的目標在於進一步了解微中子震盪的各項參數性質。T2K實驗尋找從渺子微中子轉變為電子微中子的震盪,並在2011年6月宣佈了首次實驗觀測證據[17]。超級神岡探測器在該次實驗計畫的角色為「遠偵測器」。超級神岡探測器將記錄高能微中子與水交互作用所產生的渺子和電子之契忍可夫輻射

質子衰變[编辑]

標準模型中,質子被假設為絕對穩定。然而,一些大統一理論的候選理論(GUTs)預測質子可以衰變為較輕的高能帶電粒子,例如電子渺子π介子等。神岡探測器可協助排除一些候選理論。超級神岡探測器是現有最大的用於觀測質子衰變的偵測器。

諾貝爾物理學獎[编辑]

超级神冈探测器製造了數個諾貝爾物理學獎等級的成果,例如小柴昌俊(2002年)以及梶田隆章(2015年)。戶塚洋二的贡献和梶田隆章相仿,但他在2008年去世,而诺贝尔奖不追认已经逝世的人。小柴、戶塚、梶田三人為師徒關係,並為超级神冈探测器之共同創建者[18]

2015年10月6日,梶田隆章表示:「虽然结果上是我获得了诺贝尔奖...(中略)...我认为我的『老师』的功劳更为重要。」韓國《朝鮮日報》指出,此處的「老師」就是已過世的戶塚洋二。戶塚被認為是「小柴最優秀的學生」[19]。小柴昌俊曾表示,若戶塚洋二能再多活十八個月,必能得獎[18]

大眾文化中的超級神岡探測器[编辑]

超級神岡探測器是德國攝影家安德列斯‧古爾斯基英语Andreas Gursky於2007年的作品《Kamiokande》之主題[20]。該探測器亦成為美國科學紀錄片《宇宙大探索》的主題之一。

成果[编辑]

在1987年10月,一場超新星爆發出現在大麥哲倫星系。在此次事件中,超級神岡探測器第一次偵測到超新星微中子。超級神岡探測器對這些微中子偵測到了11場事件。這次觀測證實了超新星爆發理論的正確性,並開啟了微中子天文學[21]

1998年,超級神岡探測器首次發現了微中子震盪的強烈證據,其觀測到了渺子微中子轉變為濤子微中子的現象[22],這顯示微中子具有質量。梶田隆章在該年的「中微子物理學・宇宙物理學國際會議」上發表該結果[23],並因此研究獲得2015年的諾貝爾物理學獎[8][24][25]

超級神岡探測器所得之數據對質子平均生命期與其他罕見衰變模式以及微中子性質做出了限制,例如質子衰變成K介子的生命期上限為5.9 × 1033[26]

參見[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ S. Fukuda; 等, The Super-Kamiokande detector, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, April 2003, A501 (2–3): 418–462, Bibcode:2003NIMPA.501..418F, doi:10.1016/S0168-9002(03)00425-X 
  2. ^ The official Super-Kamiokande home page
  3. ^ American Super-K home page
  4. ^ Pictures and illustrations
  5. ^ Details about the accident on November 12, 2001
  6. ^ Official report on the accident (in PDF format)
  7. ^ Logbook entry of first neutrinos seen at Super-K generated at KEK
  8. ^ 8.0 8.1 FOCUS/東京大學梶田隆章 顛覆證「微中子」. TVBS. 2015-10-07 [2015-10-13]. (原始内容存档于2015-10-13). 
  9. ^ 9.0 9.1 陳勁豪. 【時事焦點】2015諾貝爾物理獎:帶有質量的微中子. 國立臺灣大學科學教育發展中心. 2015-10-06 [2015-10-28] (中文(台灣)‎). 
  10. ^ K. Abe; 等, Calibration of the Super-Kamiokande detector, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 11 February 2014, 737: 253–272, arXiv:1307.0162, Bibcode:2014NIMPA.737..253A, doi:10.1016/j.nima.2013.11.081 
  11. ^ Fukuda, Y.; 等. Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos. Physical Review Letters. 1998, 81 (8): 1562–1567. arXiv:hep-ex/9807003. doi:10.1103/PhysRevLett.81.1562. 
  12. ^ The official Super-Kamiokande home page/research
  13. ^ A.B. Balantekin; 等, Neutrino oscillations, Progress in Particle and Nuclear Physics, July 2013, 71: 150–161, arXiv:1303.2272, Bibcode:2013PrPNP..71..150B, doi:10.1016/j.ppnp.2013.03.007 
  14. ^ J.N Bahcall; S Basu; M.H Pinsonneault, How uncertain are solar neutrino predictions?, Phys. Lett. B, 1998, 433: 1–8, arXiv:astro-ph/9805135, Bibcode:1998PhLB..433....1B, doi:10.1016/S0370-2693(98)00657-1 
  15. ^ The Super-Kamiokande Homepage
  16. ^ National Contacts. The T2K Experiment. [2015-10-09]. 
  17. ^ The official homepage of T2K experiment
  18. ^ 18.0 18.1 編譯林翠儀、記者湯佳玲. 梶田隆章 年底可望再度來台. 自由時報. 2015-10-07 [2015-10-13]. (原始内容存档于2015-10-13). 
  19. ^ 日本的21名诺贝尔获奖者的秘密 韩国之眼 朝鲜日报网 > 新闻 > 国际·经济
  20. ^ May 2007, WM Issue #3: ANDREAS GURSKY @ MATTHEW MARKS GALLERY. whitehotmagazine.com. 2007-06-30 [2015-10-09]. 
  21. ^ Neutrinos from SuperNova Burst
  22. ^ Kearns; Kajita; Totsuka, Detecting Massive Neutrinos, Scientific American, August 1999 
  23. ^ 李樂. 新聞人物:2015年諾貝爾物理學獎兩名獲獎者. BBC中文網. 2015-10-06 [2015-10-13]. (原始内容存档于2015-10-13). 
  24. ^ 韓政燕; 許敏溶. 諾貝爾獎得主梶田隆章 年底訪台恐生變. 蘋果日報. 2015-10-07 [2015-10-13]. (原始内容存档于2015-10-12). 
  25. ^ The Nobel Prize in Physics 2015 was awarded jointly to Takaaki Kajita and Arthur B. McDonald. 國立台灣大學梁次震宇宙學與粒子天文物理學研究中心. 2015-10-07 [2015-10-13]. (原始内容存档于2015-10-13). 
  26. ^ Search for proton decay via p → νKþ using 260 kiloton · year data of Super-Kamiokande. PHYSICAL REVIEW D 90, 072005. 2014-10-14. 

外部連結[编辑]