Канададағы жер асты зертханасы және нейтринолар құпиясы

Кіріспе

Онтариодағы жер асты зертханасы, Канада

Судбери нейтрино обсерваториясы (SNO) – Канаданың Онтарио провинциясындағы Судбери қаласындағы Vale компаниясының Creighton кенішінде жер астында 2100 метр тереңдікте орналасқан нейтрино обсерваториясы. Детектор күн нейтриноларын ауыр сумен толтырылған үлкен резервуардағы өзара әрекеттесу арқылы анықтау үшін жасалған. Детектор 1999 жылдың мамыр айында іске қосылды және 2006 жылдың 28 қарашасында тоқтатылды. SNO ынтымақтастығы деректерді талдаумен бірнеше жыл бойы жұмыс істеді. Эксперимент директоры Арт Макдональд 2015 жылы нейтрино осцилляциясын ашуға қосқан үлесі үшін физика саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Жер асты зертханасы кеңейтіліп, тұрақты нысанға айналдырылды және қазір SNOLAB ретінде бірнеше эксперименттер жүргізеді. SNO жабдықтары SNO+ экспериментінде пайдалану үшін жаңартылуда.

Эксперименттік мотивация

Жерге жететін күн нейтриноларының санын алғашқы рет 1960 жылдары өлшеді, ал SNO-ға дейінгі барлық тәжірибелер Стандартты Күн моделі болжағаннан үштен бірінен жартысына дейін кем нейтриноларды анықтады. Бірнеше тәжірибе осы тапшылықты растағандықтан, бұл құбылыс күн нейтрино проблемасы деп аталды. Он жылдар бойы әсерді түсіндіру үшін көптеген идеялар ұсынылды, соның бірі нейтрино осцилляциясы гипотезасы болды. SNO-ға дейінгі барлық күн нейтрино детекторы негізінен немесе тек электронды нейтриноларға сезімтал болды және мюонды нейтринолар мен тау нейтринолары туралы ақпаратты ұсырмады. 1984 жылы Ирвандағы Калифорния университетінің ғалымы Херб Чен ауыр суды күн нейтриноларын анықтау үшін детектор ретінде пайдаланудың артықшылықтарын алғаш көрсетті. Бұрынғы детекторылардан айырмашылығы, ауыр суды қолдану детекторды екі реакцияға сезімтал етеді: біреуі барлық нейтрино түрлеріне, екіншісі тек электронды нейтриноға сезімтал. Осылайша, мұндай детектор нейтрино осцилляциясын тікелей өлшеуге мүмкіндік береді. Канададағы орналасқан жері тартымды болды, себебі Atomic Energy of Canada Limited компаниясы CANDU реакторлық электр станцияларын қолдау үшін ауыр судың үлкен қорын сақтайды және қажетті көлемді (нарық бағасымен) тегін беруге дайын болды. Крейтон кені Судберидегі әлемдегі ең терең кендердің бірі болып табылады, сондықтан радиацияның өте төмен деңгейі байқалады. Бұл Ченнің ұсынған тәжірибесін жүргізу үшін өте қолайлы орын ретінде тез анықталды. SNO ынтымақтастығы алғашқы отырысын 1984 жылы өткізді. Ол кезде ол ТРИУМФ-тың KAON Factory жобасымен федералдық қаржыландыру үшін бәсекелестікке түсті, ал SNO-ны қолдаған көптеген университеттер оны дамытуға тез келісті. 1990 жылы ресми мақұлдау алынды. Тәжірибеде нейтриноның әрекеттесуінен пайда болған судағы релятивистік электрондардың шағылысуы байқалды. Релятивистік электрондар орта арқылы қозғалғанда энергиясын жоғалтады және Черенков эффектісі арқылы көк түсті жарық конусын құрайды, және осы жарық тікелей анықталады.

The first measurements of the number of solar neutrinos reaching the Earth were taken in the 1960s, and all experiments prior to SNO observed a third to a half fewer neutrinos than were predicted by the Standard Solar Model. As several experiments confirmed this deficit the effect became known as the solar neutrino problem. Over several decades many ideas were put forward to try to explain the effect, one of which was the hypothesis of neutrino oscillations. All of the solar neutrino detectors prior to SNO had been sensitive primarily or exclusively to electron neutrinos and yielded little to no information on muon neutrinos and tau neutrinos. In 1984, Herb Chen of the University of California at Irvine first pointed out the advantages of using heavy water as a detector for solar neutrinos. Unlike previous detectors, using heavy water would make the detector sensitive to two reactions, one reaction sensitive to all neutrino flavours, the other reaction sensitive to only electron neutrino. Thus, such a detector could measure neutrino oscillations directly. A location in Canada was attractive because Atomic Energy of Canada Limited, which maintains large stockpiles of heavy water to support its CANDU reactor power plants, was willing to lend the necessary amount (worth at market prices) at no cost. The Creighton Mine in Sudbury is among the deepest in the world and, accordingly, experiences a very small background flux of radiation. It was quickly identified as an ideal place for Chen's proposed experiment to be built,

The SNO collaboration held its first meeting in 1984. At the time it competed with TRIUMF's KAON Factory proposal for federal funding, and the wide variety of universities backing SNO quickly led to it being selected for development. The official go ahead was given in 1990. The experiment observed the light produced by relativistic electrons in the water created by neutrino interactions. As relativistic electrons travel through a medium, they lose energy producing a cone of blue light through the Cherenkov effect, and it is this light that is directly detected.

Детектордың сипаттамасы

SNO детекторының нысанасы акрил ыдыста орналасқан ауыр судан тұрды. Ыдыстың сыртындағы детектор қуысы кемеге қалықтау және сәулеленуден қорғау үшін кәдімгі сумен толтырылды. Ауыр суды шамамен 9600 фотокөбейтуші түтікше (PMT) геодезиялық сфераға орнатылған, шамамен радиуста қарады. Детекторды қамтитын қуыс осындай тереңдікте әлемдегі ең үлкені болды, сондықтан тау жыныстарының жарылуын болдырмау үшін әртүрлі жоғары өнімділіктегі тау жыныстарын бекіту әдістері қажет болды. Обсерватория "SNO дрейфі" деп аталатын дрейфтің соңында орналасқан, ол басқа тау-кен жұмыстарынан оқшаулайды. Дрейф бойында таза бөлме жағдайында бірнеше операциялық және жабдық бөлмелері орналасқан. Құрылыстың көп бөлігі 3000 класына (ауаның 1 куб футында 1 мкм немесе одан үлкен 3000-нан кем бөлшектер) жатады, бірақ детекторды қамтитын соңғы қуыс одан да қатаң 100 класына жатады.

Зарядталған токтың өзара әрекеттесуі

Зарядталған ток әрекеттесуінде нейтрино деутерондағы нейтронды протонға айналдырады. Нейтрино реакцияда сіңіріледі және электрон пайда болады. Күн нейтриноларының энергиясы мюондар мен тау лептондарының массасынан төмен болғандықтан, осы реакцияға тек электронды нейтринолар ғана қатыса алады. Шығарылған электрон нейтрино энергиясының басым бөлігін, шамамен 5–15 МэВ-қа дейін алып кетеді және оны анықтауға болады. Пайда болған протонның энергиясы анықтау үшін жеткіліксіз. Бұл реакцияда туындаған электрондар барлық бағытта таралады, бірақ олардың шығу тегіне, нейтрино келген бағытқа қарай сәл бейімділігі бар.

Нейтральді ток өзара әрекеттесуі

Нейтральды ток әрекеттесуінде нейтрино деутеронды ажыратып, оны құраушы нейтрон мен протонға бөледі. Нейтрино энергиясы сәл төмендеуімен жалғасады, ал барлық үш нейтриноның түрі осы өзара әрекеттесуге тең мүмкіндікпен қатысады. Ауыр судың нейтрондар үшін қимасы кішкентай, бірақ нейтрондар дейтерий ядросымен тұтқындалғанда шамамен 6 МеВ энергиясы бар гамма сәулесі (фотон) пайда болады. Гамма сәулелерінің бағыты нейтриноның бағытымен ешқандай байланыссыз. Ажыратылған деутерондардан пайда болған нейтрондардың бір бөлігі акрил ыдыстан ауыр суды қоршап тұрған жеңіл су қабығына өтеді, ал жеңіл судың нейтрондарды тұтқындауға арналған қимасы өте үлкен болғандықтан, бұл нейтрондар тез тұтқындалады. Бұл реакцияда шамамен 2,2 МеВ энергиясы бар гамма сәулелері пайда болады, бірақ фотондардың энергиясы детектордың энергия шегінен төмен болғандықтан (яғни олар фотокөбейтушілерді іске қоспайды), оларды тікелей байқау мүмкін емес. Дегенмен, гамма сәулесі Комптон шашырауы арқылы электронмен соқтығысқанда, үдетілген электронды Черенков сәулесі арқылы анықтауға болады.

Электрондардың серпімді шашырауы

Эластикалық шашырау әрекеттесуінде нейтрино атомдық электронмен соқтығысып, энергиясының бір бөлігін электронға жеткізеді. Барлық үш нейтрино бейтарап Z бозоны арқылы алмасу нәтижесінде осы әрекеттесуге қатыса алады, ал электронды нейтринолар зарядталған W бозоны арқылы да қатыса алады. Осы себепті осы әрекеттесуде электронды нейтринолар басымдық құрайды, және Super Kamiokande (Super K) детекторының күн нейтриноларын бақылауы осы арқылы жүзеге асырылады. Бұл әрекеттесу – бильярдтың релятивистік нұсқасы, сондықтан пайда болатын электрондар көбінесе нейтриноның қозғалыс бағытында (күннен алысқа қарай) бағытталады. Бұл әрекеттесу атомдық электрондарда болғандықтан, ауыр және жеңіл суда бірдей жылдамдықпен өтеді.

Эксперименттің нәтижелері мен әсері

SNO-ның алғашқы ғылыми нәтижелері 18 маусымда 2001 жылы жарияланды және нейтринолардың тербеліске ұшырайтынының (яғни, олардың бір түрінен екінші түріне ауыса алатынының) алғашқы нақты дәлелін ұсынды, олар Күннен келе жатқанда. Бұл тербеліс өз кезегінде нейтринолардың нөлдік емес массаға ие екенін көрсетеді. SNO өлшеген нейтринолардың барлық түрлерінің жалпы ағыны теориялық болжамдармен толық сәйкес келеді. SNO жүргізген қосымша өлшемдер бастапқы нәтижелердің дәлдігін растап, жақсартты. Super K 1998 жылдың өзінде нейтрино тербелісіне дәлел жариялап, SNO-дан бұрын нәтиже көрсеткенімен, Super K нәтижелері шешімді емес және күн нейтриноларымен тікелей айналыспады. SNO нәтижелері күн нейтриноларындағы тербелістерді тікелей көрсеткен алғашқы жұмыс болды. Бұл стандартты күн моделі үшін маңызды жаңалық болды. 2007 жылы Франклин институты SNO директоры Арт Макдональдты физика саласындағы Бенджамин Франклин медалімен марапаттады. 2015 жылы физика бойынша Нобель сыйлығы нейтрино тербелісін ашқандары үшін Артур Б. Макдональд пен Токио университетінің Такааки Кажитасына бірлесіп табысталды.

Басқа да мүмкін талдаулар

Егер детектор жұмыс істеп тұрғанда біздің галактикамызда супернова болғанда, SNO детекторы оны анықтай алатын еді. Суперновадан шығатын нейтринолар фотондардан бұрын шығатындықтан, супернова көрінбей тұрып астрономиялық қауымдастыққа хабарлау мүмкін. SNO, Super Kamiokande және Үлкен көлемді детектормен бірге Supernova ерте ескерту жүйесінің (SNEWS) негізін қалаушы мүшесі болды. Қазірге дейін мұндай суперновалар тіркелген жоқ. SNO эксперименті атмосферадағы ғарыш сәулелерінің әрекеттесуінен туындаған атмосфералық нейтриноларды да байқауға мүмкіндік берді. Super K детекторымен салыстырғанда SNO детекторының кіші көлеміне байланысты, 1 ГэВ-тан төмен энергиядағы ғарыш сәулелерінен туындаған нейтрино сигналы статистикалық тұрғыдан маңызды емес.

Қатысушы мекемелер

Ірі бөлшектер физикасы эксперименттеріне үлкен ынтымақтастық қажет. Шамамен 100 қатысушымен, SNO коллайдер эксперименттерімен салыстырғанда өте шағын топ болды. Қатысқан мекемелер:

Құрметтер мен марапаттар

14724 SNO астероиді SNO құрметіне аталған. 2006 жылдың қараша айында SNO командасының барлық мүшелері Канадада жүргізілген "табиғат ғылымдары немесе инженерия саласындағы жаңа және ерекше үлкен жетістіктері" үшін алғашқы Джон С. Поланьи сыйлығымен марапатталды. SNO жетекші зерттеушісі Артур Б. Макдональд 2015 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын Супер-Камиокандеден Такааки Кажитамен бірлесіп, нейтрино осцилляциясын (тербелісін) ашқандығы үшін алды. SNO 2016 жылғы Фундаменталды физика сыйлығын тағы 4 нейтрино экспериментімен бірге жеңіп алды.