Обсерватория Камиока - Kamioka Observatory

В Обсерватория Камиока, Институт исследования космических лучей (神 岡宇宙素 粒子研究施 設, Камиока Учу Сорюши Кенкью Шисецу, Японское произношение:[камиока ɯtɕɯː soɾʲɯꜜːɕi keŋkʲɯː ɕiseꜜtsɯ]) это нейтрино и гравитационные волны лаборатория, расположенная под землей в Мозуми Моя из Kamioka Mining and Smelting Co. возле квартала Камиока города Хида в Префектура Гифу, Япония. За последние два года в обсерватории был проведен ряд революционных нейтринных экспериментов. десятилетия. Все эксперименты были очень масштабными и внесли существенный вклад в развитие физика элементарных частиц, в частности к изучению нейтринная астрономия и осцилляция нейтрино.

Шахта

Рудник Мозуми - один из двух соседних рудников, принадлежащих Kamioka Mining and Smelting Co. (дочерняя компания Mitsui Горно-металлургическая компания Мицуи Кинзоку ).[1]:1Шахта известна как место одно из величайших массовых отравлений в истории Японии. С 1910 по 1945 годы операторы шахты сбрасывали кадмий из перерабатывающей фабрики в местную воду. Этот кадмий вызвал то, что местные жители называли итаи-итайская болезнь. Заболевание вызвало ослабление костей и сильную боль.

Хотя горные работы прекратились, плавильный завод продолжает переработку цинк, вести и Серебряный из других шахт и переработки.[1]:2,6–7

В то время как текущие эксперименты проводятся на северной шахте Мозуми, шахта Точибора в 10 км к югу.[2]:9 также доступен. Он не такой глубокий, но имеет более сильный рок[1]:22,24,26 и это запланированное место для очень больших пещер Гипер-Камиоканде.[2][3]:19

Прошлые эксперименты

KamiokaNDE

Модель КамиокАНДЕ

Первый из экспериментов Камиока был назван KamiokaNDE в честь Камиока Эксперимент по распаду нуклона. Это был большой воды Детектор Черенкова предназначен для поиска распад протона. Чтобы наблюдать распад частицы с продолжительность жизни пока протон, эксперимент должен длиться долго и наблюдать огромное количество протонов. Это можно сделать наиболее рентабельно, если мишень (источник протонов) и сам детектор будут изготовлены из одного и того же материала. Вода - идеальный кандидат, потому что она недорогая, легко очищается, стабильный, и может обнаруживать релятивистские заряжен частиц за счет производства Черенкова радиация. Детектор распада протона должен быть закопан глубоко под землей или в гора потому что фон из космический луч мюоны в таком большом детекторе, расположенном на поверхности Земля было бы слишком большим. Скорость мюонов в эксперименте KamiokaNDE составляла около 0,4 события в секунду, примерно пять порядки величины меньше, чем было бы, если бы детектор располагался на поверхности.[4]

Четкая картина, создаваемая излучением Черенкова, позволяет идентификация частиц, важный инструмент как для понимания потенциального сигнала распада протона, так и для отклонения фона. ID возможен, потому что резкость края кольца зависит от частицы, производящей излучение. Электроны (а значит, и гамма лучи ) образуют нечеткие кольца из-за многократное рассеяние электронов с малой массой. Минимум ионизирующий мюоны, напротив, образуют очень острые кольца, поскольку их большая масса позволяет им распространяться напрямую.

Строительство подземной обсерватории Камиока (предшественник нынешней обсерватории Камиока, Институт исследования космических лучей, Токийский университет ) началось в 1982 году и было завершено в апреле 1983 года. цилиндрический бак который содержал 3000 тонн чистой воды и имел около 1000 диаметров 50 см. фотоумножитель трубки (ФЭУ) прикреплены 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 лучший на тот момент предел времени жизни протона в мире.

Камиоканде-I работал в 1983–1985 гг.

Камиоканде-II

В Камиоканде-II Эксперимент был большим шагом вперед от KamiokaNDE, и он сделал значительное количество важных наблюдений. Камиоканде-II работал в 1985–1990 гг.

Солнечные нейтрино

В 1930-е гг. Ганс Бете и Карл Фридрих фон Вайцзеккер предположили, что источник солнце энергия была слияние реакции в его основе. Хотя эта гипотеза была широко принята на протяжении десятилетий, не было возможности наблюдать ядро ​​Солнца и напрямую проверять его. гипотеза. Рэя Дэвиса Хоумстейк Эксперимент был первым, кто обнаружил солнечные нейтрино, веское доказательство того, что ядерная теория Солнца верна. В течение десятилетий эксперимент Дэвиса постоянно наблюдал лишь около 1/3 количества нейтрино, предсказываемых Стандартные солнечные модели его коллега и близко друг Джон Бэколл. Из-за большой технической сложности эксперимента и его зависимости от радиохимических методов, а не прямого обнаружения в реальном времени, многие физики с подозрением относились к его результату.

Стало понятно, что большой водяной детектор Черенкова может быть идеальным детектором нейтрино по нескольким причинам. Во-первых, огромный объем, возможный в водяном детекторе Черенкова, может решить проблему очень маленького поперечное сечение из 5-15 МэВ солнечные нейтрино. Во-вторых, водяные детекторы Черенкова позволяют обнаруживать события в реальном времени. Это означало, что отдельные нейтрино-электрон События-кандидаты на взаимодействие можно было бы изучать на индивидуальной основе, что резко отличается от ежемесячного наблюдения, необходимого в радиохимических экспериментах. В-третьих, в нейтрино-рассеяние электронов электрон отскакивает примерно в том направлении, в котором движется нейтрино (аналогично движению бильярд шары), поэтому электроны «указывают назад» на солнце. В-четвертых, рассеяние нейтрино на электронах - это эластичный процесс, поэтому энергия распространение нейтрино можно изучить, дополнительно протестировав солнечную модель. В-пятых, характерное «кольцо», создаваемое излучением Черенкова, позволяет различать сигнал на фоне. Наконец, поскольку эксперимент Черенкова с водой будет использовать другую цель, процесс взаимодействия, технологию детектора и местоположение, это будет очень дополняющая проверка результатов Дэвиса.

Было ясно, что KamiokaNDE можно использовать для проведения фантастического и нового эксперимента, но сначала нужно было решить серьезную проблему. Наличие радиоактивный фоны в KamiokaNDE означало, что детектор имеет энергия порог в десятки МэВ. Сигналы, производимые распадом протона и взаимодействием с атмосферными нейтрино, значительно больше этого, поэтому исходному детектору KamiokaNDE не нужно было быть особенно агрессивным в отношении своего энергетического порога или разрешающая способность. Проблема была решена двумя способами. Участники эксперимента KamiokaNDE спроектировали и построили новые системы очистки воды для снижения радон фон, и вместо того, чтобы постоянно включать в детектор "свежую" шахтную воду, они удерживали воду в резервуаре, позволяя радону распадаться. Группа из Пенсильванский университет присоединился к сотрудничество и поставил новые электроника с превосходными временными возможностями. Дополнительная информация, предоставляемая электроникой, еще больше улучшила способность отличать сигнал нейтрино от радиоактивного фона. Еще одним усовершенствованием было расширение полости и установка «внешнего детектора» с инструментами. Дополнительная вода обеспечивала защиту от гамма-лучей из окружающей среды. Скала, а внешний детектор обеспечивал вето для мюонов космических лучей.[4][5]

С обновления завершил эксперимент был переименован Камиоканде-II, и начал сбор данных в 1985 году. Эксперимент потратил несколько лет на борьбу с проблемой радона и начал сбор «производственных данных» в 1987 году. После того, как было накоплено 450 дней данных, эксперимент смог увидеть явное увеличение количества событий которые указывали от солнца в случайных направлениях.[4] Направленная информация была дымящийся пистолет сигнатура солнечных нейтрино, впервые демонстрирующая, что Солнце является источником нейтрино. Эксперимент продолжал собирать данные в течение многих лет и в конечном итоге обнаружил, что поток солнечных нейтрино составляет примерно 1/2 от предсказываемого 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 потоками, предсказанными солнечными теория а радиохимический и водяной детекторы Черенкова стали известны как проблема солнечных нейтрино.

Атмосферные нейтрино

Поток атмосферных нейтрино значительно меньше, чем поток солнечных нейтрино, но поскольку сечения реакции растут с увеличением энергии, их можно обнаружить в детекторе размером с Камиоканде-II. В эксперименте использовалось «соотношение соотношений» для сравнения соотношение количества электронных и мюонных ароматических нейтрино до отношения, предсказанного теорией (этот метод используется, потому что многие систематические ошибки компенсируют друг друга). Это соотношение указывало на дефицит мюонных нейтрино, но детектор был недостаточно большим, чтобы получить статистику, необходимую для того, чтобы назвать результат открытие. Этот результат стал известен как дефицит атмосферных нейтрино.

Сверхновая 1987A

Эксперимент Камиоканде-II оказался особенно удачным, поскольку сверхновая звезда происходило, когда детектор был в сети и принимал данные. После проведенной модернизации детектор стал достаточно чувствительным, чтобы наблюдать тепловые нейтрино, производимые Сверхновая 1987A, которые прошли примерно 160 000 световых лет прочь в Большое Магелланово Облако. Нейтрино прибыли в Земля в феврале 1987 г. детектором Камиоканде-II было зарегистрировано 11 событий.

Распад нуклона

Камиоканде-II продолжил поиски распада протона Камиоканде и снова не смог его наблюдать. Эксперимент снова установил нижнюю границу периода полураспада протона.

Камиоканде-III

Последняя модернизация детектора, Камиоканде-III, работала в 1990–1995 гг.

Нобелевская премия

За его работу по руководству экспериментами Камиока и, в частности, за первое в истории обнаружение астрофизических нейтрино. Масатоши Кошиба был награжден Нобелевская премия по физике в 2002. Раймонд Дэвис-младший и Риккардо Джаккони стали со-победителями премии.

K2K

Основная статья: K2K

В КЕК Камиока эксперимент[6] используемый ускоритель нейтрино для проверки осцилляций, наблюдаемых в сигнале атмосферных нейтрино, с помощью хорошо контролируемого и понятного пучка. Пучок нейтрино был направлен от ускорителя КЭК на Супер Камиоканде. В ходе эксперимента были обнаружены параметры колебаний, которые соответствовали параметрам, измеренным Super-K.

Текущие эксперименты

Супер Камиоканде

Основная статья: Супер Камиоканде

К 1990-м годам физики элементарных частиц начали подозревать, что проблема солнечных нейтрино и дефицит атмосферных нейтрино имеют какое-то отношение к осцилляция нейтрино. В Супер Камиоканде Детектор был разработан для проверки гипотезы о колебаниях как солнечных, так и атмосферных нейтрино. Детектор Супер-Камиоканде массивен даже по стандартам физики элементарных частиц. Он состоит из 50 000 тонн чистой воды, окруженной примерно 11 200 фотоумножителями. Детектор снова был сконструирован в виде цилиндрической конструкции, 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 фактически помогать в их реконструкции.

Супер-Камиоканде начал сбор данных в 1996 году и провел несколько важных измерений. К ним относятся прецизионные измерения потока солнечных нейтрино с использованием взаимодействия упругого рассеяния, первое очень убедительное свидетельство существования атмосферных нейтрино. осцилляция нейтрино, и значительно более жесткое ограничение на распад протона.

Нобелевская премия

За работу с Супер Камиоканде, Такааки Кадзита разделила Нобелевскую премию 2015 года с Артур Макдональд.

Супер Камиоканде-II

12 ноября 2001 г. несколько тысяч фотоумножителей в детекторе Супер-Камиоканде. взорвался, по-видимому, в цепная реакция как ударная волна от сотрясения каждой взрывающейся трубы треснули его соседи. Детектор был частично восстановлен за счет перераспределения не взорвавшихся трубок фотоумножителей и добавления защитных акрил снаряды, которые, как надеялись, предотвратят повторение новой цепной реакции. Данные, полученные после имплозии, называются Супер Камиоканде-II данные.

Супер Камиоканде-III

В июле 2005 года началась подготовка к восстановлению детектора в его первоначальном виде путем переустановки около 6000 новых ФЭУ. Он был закончен в июне 2006 года. Данные, полученные с недавно отреставрированной машиной, были названы СуперКамиоканде-III набор данных.

Супер Камиоканде-IV

В сентябре 2008 года детектор завершил свою последнюю крупную модернизацию с использованием современной электроники и усовершенствований в динамике водной системы, методах калибровки и анализа. Это позволило SK получить свой самый большой набор данных (СуперКамиоканде-IV), который продолжался до июня 2018 года, когда будет проведен ремонт нового детектора с полным сливом воды из бака и заменой электроники, ФЭУ, внутренних конструкций и других деталей.

Токай на Камиоку (T2K)

Основная статья: T2K эксперимент

Эксперимент с длинной базой "Tokai To Kamioka" начался в 2009 году. Он обеспечивает точное измерение параметров осцилляций атмосферных нейтрино и помогает установить значение θ13. Он использует пучок нейтрино, направленный на детектор Супер Камиоканде из Японская адронная установка 50 лет ГэВ (в настоящее время 30 ГэВ) протон синхротрон в Токаи таким образом, нейтрино проходят общее расстояние 295 км (183 миль).

В 2013 году Т2К впервые наблюдал нейтринные осцилляции в канале появления: превращение мюонных нейтрино в электронные нейтрино.[7] В 2014 году коллаборация предоставила первые ограничения на величину фазы нарушения CP, а также наиболее точное измерение угла смешивания. θ23.[8]

KamLAND

Основная статья: Жидкий сцинтилляторный детектор антинейтрино Kamioka

КамЛАНД эксперимент - это жидкий сцинтиллятор детектор, предназначенный для обнаружения реактор антинейтрино. KamLAND - это дополнительный эксперимент к Нейтринная обсерватория Садбери потому что в то время как эксперимент SNO имеет хорошую чувствительность к солнечному угол смешивания но с плохой чувствительностью к квадрату разности масс, KamLAND имеет очень хорошую чувствительность к квадрату разности масс с плохой чувствительностью к углу смешивания. Данные двух экспериментов могут быть объединены до тех пор, пока CPT действительный симметрия из нашего вселенная. Эксперимент KamLAND расположен в оригинальной полости KamiokaNDE.

Обсерватория с криогенным лазерным интерферометром (CLIO)

Основная статья: CLIO

CLIO - это небольшой детектор гравитационных волн со штангой 100 м (330 футов), который недостаточно велик для обнаружения астрономических гравитационных волн, но он является прототипом технологий криогенных зеркал для более крупного детектора KAGRA.

КАГРА

Основная статья: КАГРА

Детектор гравитационных волн KAmioka GRA (ранее LCGT, Крупномасштабный криогенный гравитационно-волновой телескоп) был одобрен в 2010 году, раскопки были завершены в марте 2014 года.[9] и первая фаза вводится в эксплуатацию в 2016 году. Это лазерный интерферометр с двумя плечами, каждое длиной 3 км, и когда он будет завершен примерно в 2018 году, он будет иметь запланированную чувствительность для обнаружения сливающихся двойных нейтронных звезд на сотнях Мпк расстояние.

XMASS

XMASS это подземный эксперимент с жидким сцинтиллятором в Камиоке. Он искал темная материя.

NEWAGE

NEWAGE это чувствительный к направлению эксперимент по поиску темной материи, выполненный с использованием газовой микровремени проекционной камеры.[10][11]

Будущие эксперименты

Гипер-Камиоканде

Основная статья: Гипер-Камиоканде

Есть программа [3] построить детектор в десять раз больше, чем Супер Камиоканде, и этот проект известен под названием Гипер-Камиоканде. Первый танк будет сдан в эксплуатацию в середине 2020-х годов.[12]Во время «инаугурации» в 2017 году было объявлено, что резервуар (-ы) в 20 раз больше, чем последний (1000 миллионов литров в Гипер-Камиоканде против 50 миллионов в Супер-Камиоканде ).

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c Накагава, Тецуо (9 апреля 2005 г.). Исследование раскопок пещеры Hyper-KAMIOKANDE на руднике Kamioka в Японии (PDF). Следующее поколение детекторов распада нуклонов и нейтрино. Оссуа, Савойя, Франция.
  2. ^ а б Сиодзава, Масато (15 декабря 2010 г.). Дизайн Hyper-Kamiokande (PDF). 11-й Международный семинар по детекторам распада нуклонов и нейтрино нового поколения (NNN10). Тояма. Получено 27 августа 2011.
  3. ^ а б Abe, K .; и другие. (Рабочая группа Hyper-Kamiokanke) (15 сентября 2011 г.). «Письмо о намерениях: эксперимент Hyper-Kamiokande - конструкция детектора и физический потенциал -». arXiv:1109.3262 [hep-ex ].
  4. ^ а б c Накахата, Масаюки. «Камиоканде и Супер-Камиоканде» (PDF). Ассоциация физических обществ Азиатско-Тихоокеанского региона. Получено 2014-04-08.[постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ Накамура, Кензо. «Настоящее состояние и будущее Камиоканде» (PDF). Институт исследования космических лучей, Токийский университет. Получено 2018-09-15.
  6. ^ «Эксперимент по осцилляциям нейтрино с длинной базой, от KEK до Камиоки (K2K)». Получено 2008-09-10.
  7. ^ Abe, K .; и другие. (Сотрудничество T2K) (14 февраля 2014 г.). «Наблюдение появления электронных нейтрино в пучке мюонных нейтрино». Письма с физическими проверками. 112 (6): 061802. arXiv:1311.4750. Bibcode:2014ПхРвЛ.112ф1802А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.112.061802. PMID  24580687.
  8. ^ Abe, K .; и другие. (Сотрудничество T2K) (апрель 2015 г.). "Измерение осцилляций нейтрино в каналах появления и исчезновения с помощью эксперимента T2K с 6,6 × 1020 протоны на мишени ». Физический обзор D. 91 (7): 072010. arXiv:1502.01550. Bibcode:2015ПхРвД..91г2010А. Дои:10.1103 / PhysRevD.91.072010.
  9. ^ «Раскопки 7-километрового туннеля КАГРА завершены» (Пресс-релиз). Токийский университет. 31 марта 2014 г.. Получено 2015-06-07.
  10. ^ Хашимото, Такаши; Миучи, Кентаро; Накамура, Кисеки; Якабе, Рёта; Икеда, Томонори; Тайшаку, Рёске; Накадзава, Мики; Ишиура, Хирохиса; Очи, Атсухико; Такеучи, Ясуо; Barbi, M .; Barker, G.J .; Barr, G .; Бас, М .; Batkiewicz, M .; Bay, F .; Bentham, S.W .; Берарди, В .; Berger, B.E .; Беркман, С .; Бертрам, I .; Bhadra, S .; Blaszczyk, F. d. М .; Blondel, A .; Боечко, Ц .; Bordoni, S .; Boyd, S. B .; Brailsford, D .; Бравар, А .; и другие. (2018). «Разработка µ-PIC с низким уровнем альфа-излучения для чувствительного к направлению поиска темной материи NEWAGE». Серия конференций Американского института физики. Материалы конференции AIP. 1921 (1): 070001. arXiv:1707.09744. Bibcode:2018AIPC.1921g0001H. Дои:10.1063/1.5019004.
  11. ^ Накамура, К .; Miuchi, K .; Танимори, Т .; Kubo, H .; Takada, A .; Parker, J.D .; Mizumoto, T .; Mizumura, Y .; Nishimura, H .; Sekiya, H .; Takeda, A .; Савано, Т .; Matsuoka, Y .; Komura, S .; Yamaguchi, Y .; Хашимото, Т. (2015). «Чувствительный к направлению поиск темной материи с помощью газового следящего детектора NEWAGE-0.3b.'". Успехи теоретической и экспериментальной физики. 2015 (4): 43F01–0. Bibcode:2015PTEP.2015d3F01N. Дои:10.1093 / ptep / ptv041.
  12. ^ «Проект Hyper-Kamiokande входит в дорожную карту крупных проектов MEXT | HyperKamiokande».

внешние ссылки

Координаты: 36 ° 25,6 'с.ш. 137 ° 18,7'E / 36,4267 ° с.ш.137,3117 ° в. / 36.4267; 137.3117 (Mt. Икено (Икенояма)) (Гора Икено)