Нейтринная обсерватория Садбери

редактировать
Художественная концепция детектора СНО. (Любезно предоставлено SNO)

Нейтринной обсерватории Садбери ( SNO) был нейтринной обсерватории находится 2100 м под землей в Vale «s Mine Крейтон в Садбери, Онтарио, Канада. Детектор был разработан для обнаружения солнечных нейтрино через их взаимодействие с большим резервуаром тяжелой воды.

Детектор был включен в мае 1999 г. и выключен 28 ноября 2006 г. Коллаборация SNO была активна в течение нескольких лет после этого, анализируя полученные данные.

Директор эксперимента Арт Макдональд был совместно удостоен Нобелевской премии по физике в 2015 году за вклад эксперимента в открытие осцилляций нейтрино.

Подземная лаборатория была преобразована в постоянный объект и теперь проводит несколько экспериментов как SNOLAB. Само оборудование SNO в настоящее время модернизируется для использования в эксперименте SNO +.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Экспериментальная мотивация
  • 2 Описание детектора
    • 2.1 Взаимодействие с заряженным током
    • 2.2 Взаимодействие нейтрального тока
    • 2.3. Упругое рассеяние электронов
  • 3 Экспериментальные результаты и влияние
  • 4 Другие возможные анализы
  • 5 Участвующие учреждения
    • 5,1 Канада
    • 5,2 Соединенное Королевство
    • 5,3 США
  • 6 наград и наград
  • 7 См. Также
  • 8 ссылки
  • 9 Внешние ссылки

Экспериментальная мотивация

См. Также: Проблема солнечных нейтрино

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

В 1984 году Херб Чен из Калифорнийского университета в Ирвине впервые указал на преимущества использования тяжелой воды в качестве детектора солнечных нейтрино. 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 напрямую измерять осцилляции нейтрино. Расположение в Канаде было привлекательным, потому что компания Atomic Energy of Canada Limited, которая поддерживает большие запасы тяжелой воды для поддержки своих реакторных электростанций CANDU, была готова бесплатно предоставить необходимую сумму (на сумму 330 000 000 канадских долларов по рыночным ценам).

Шахта Крейтон в Садбери является одной из самых глубоких в мире и, соответственно, испытывает очень небольшой фоновый поток радиации. Он был быстро определен как идеальное место для проведения эксперимента, предложенного Ченом, и руководство рудника было готово сделать это место доступным только за дополнительные расходы.

Сотрудничество SNO провело свое первое заседание в 1984 году В то время он конкурировал с ТРИУМФ «s КАОН Factory предложениями для федерального бюджета, а также широким кругом университетов, поддерживающих SNO быстро привели к его выбранному для развития. Официальное разрешение было дано в 1990 году.

Эксперимент наблюдал свет, создаваемый релятивистскими электронами в воде, создаваемым нейтринными взаимодействиями. Когда релятивистские электроны проходят через среду, они теряют энергию, создавая конус синего света из-за эффекта Черенкова, и именно этот свет определяется непосредственно.

Описание детектора

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

Мишень детектора SNO состояла из 1000 тонн (1102 коротких тонны ) тяжелой воды, содержащейся в акриловом судне радиусом 6 метров (20 футов). Полость детектора снаружи сосуда была заполнена обычной водой для обеспечения плавучести сосуда и защиты от излучения. Тяжелая вода просматривалась примерно 9600 фотоумножителями (ФЭУ), установленными на геодезической сфере в радиусе около 850 сантиметров (28 футов). Полость, в которой размещался детектор, была самой большой в мире на такой глубине, что требовало применения разнообразных высокоэффективных методов анкерного крепления для предотвращения горных ударов.

Обсерватории расположены в конце 1,5-километровая (0,9 миль) дрейфа, названный «SNO дрейф», изолировать его от других операций по добыче. Вдоль штольни расположено несколько операционных и аппаратных, все они находятся в чистом помещении. Большая часть объекта относится к классу 3000 (менее 3000 частиц размером 1 мкм и более на 1 фут 3 воздуха), но последняя полость, содержащая детектор, относится к еще более строгому классу 100.

Заряженное текущее взаимодействие

При взаимодействии заряженного тока нейтрино превращает нейтрон в дейтроне в протон. Нейтрино поглощается в реакции и образуется электрон. Солнечные нейтрино имеют энергию меньшую, чем масса мюонов и тау-лептонов, поэтому в этой реакции могут участвовать только электронные нейтрино. Испускаемый электрон уносит большую часть энергии нейтрино, порядка 5–15  МэВ, и его можно обнаружить. Образующийся протон не имеет достаточно энергии, чтобы его можно было легко обнаружить. Электроны, образующиеся в этой реакции, испускаются во всех направлениях, но у них есть небольшая тенденция указывать назад в том направлении, откуда пришло нейтрино.

Нейтральное текущее взаимодействие

При взаимодействии нейтрального тока нейтрино диссоциирует дейтрон, разбивая его на составляющие нейтрон и протон. Нейтрино продолжает двигаться с немного меньшей энергией, и все три аромата нейтрино с равной вероятностью будут участвовать в этом взаимодействии. Тяжелая вода имеет небольшое поперечное сечение для нейтронов, но когда нейтроны захватываются ядром дейтерия, образуется гамма-излучение ( 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-луч сталкивается с электроном в результате комптоновского рассеяния, ускоренный электрон может быть обнаружен с помощью черенковского излучения.

Упругое рассеяние электронов

При взаимодействии с упругим рассеянием нейтрино сталкивается с атомным электроном и передает ему часть своей энергии. Все три нейтрино могут участвовать в этом взаимодействии посредством обмена нейтральным Z-бозоном, а электронные нейтрино также могут участвовать в обмене заряженным W-бозоном. По этой причине в этом взаимодействии преобладают электронные нейтрино, и это канал, через который детектор Супер-Камиоканде (Супер-К) может наблюдать солнечные нейтрино. Это взаимодействие является релятивистским эквивалентом бильярда, 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 SNO были опубликованы 18 июня 2001 г. и представили первое четкое свидетельство того, что нейтрино осциллируют (т.е. что они могут переходить друг в друга), когда они движутся от Солнца. Это колебание, в свою очередь, означает, что нейтрино имеют ненулевые массы. Суммарный 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 опередил 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 модели. В 2007 году Институт Франклина наградил директора SNO Art McDonald с Бенджамином Франклином медали по физике. В 2015 году Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Артуру Б. Макдональду и Такааки Кадзите из Токийского университета за открытие осцилляций нейтрино.

Другие возможные анализы

Детектор SNO мог бы обнаружить сверхновую в нашей галактике, если бы она произошла во время работы детектора. Поскольку нейтрино, испускаемые сверхновой, высвобождаются раньше, чем фотоны, можно предупредить астрономическое сообщество до того, как сверхновая станет видимой. SNO была одним из основателей Системы раннего предупреждения о сверхновых (SNEWS) с Супер-Камиоканде и Детектором большого объема. Таких сверхновых пока не обнаружено.

Эксперимент SNO также смог наблюдать атмосферные нейтрино, возникающие при взаимодействии космических лучей 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 1  ГэВ.

Участвующие учреждения

Эксперименты по физике крупных частиц требуют большого сотрудничества. SNO, насчитывающая примерно 100 сотрудников, была довольно маленькой группой по сравнению с экспериментами на коллайдерах. Участвующие учреждения включали:

Канада

Хотя лаборатория Chalk River больше не сотрудничает, она руководила строительством акрилового судна, вмещающего тяжелую воду, а компания Atomic Energy of Canada Limited была 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
  • Эксперимент Хоумстейк - предыдущий эксперимент, проведенный в 1970–1994 годах на шахте в Лиде, Южная Дакота.
  • СНО + - Преемник СНО
  • СНОЛАБ - постоянная подземная физическая лаборатория строится вокруг СНО

использованная литература

Координаты : 46 ° 28′30 ″ с.ш. 81 ° 12′04 ″ з.д. / 46,47500 ° с. Ш. 81.20111 ° з. / 46,47500; -81.20111

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2024-01-07 04:14:13
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте