Жапондық нейтрино обсерваториясы: Super Kamiokande
Super-Kamiokande
Жапондық Super Kamiokande нейтрино обсерваториясы – жоғары энергиялы нейтриноларды анықтау, протонның ыдырауын зерттеу және галактикадағы жаңа жұлдыздарды бақылау үшін құрылған.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Super Kamiokande (Super Kamioka Neutrino Detection Experiment, Super K немесе SK; スーパーカミオカンデ) – Жапонияның Гифу префектурасындағы Хида қаласының жанында Икено тауының астында орналасқан нейтрино обсерваториясы. Оны Токио университетінің Космикалық сәулелерді зерттеу институты халықаралық команданың көмегімен басқарады. Обсерватория Хиданың Камиока ауданындағы Мозуми кенішінде жер астында орналасқан. Ол жоғары энергиялы нейтриноларды анықтау, протонның ыдырауын іздеу, күн және атмосфералық нейтриноларды зерттеу және Құс жолы галактикасындағы жұлдыздық жарылыстарды (суперноваларды) бақылау мақсатында салынған.
Japanese neutrino observatory
Super Kamiokande (abbreviation of Super Kamioka Neutrino Detection Experiment, also abbreviated to Super K or SK; スーパーカミオカンデ) is a neutrino observatory located under Mount Ikeno near the city of Hida, Gifu Prefecture, Japan. It is operated by the Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo with the help of an international team. It is located underground in the Mozumi Mine in Hida's Kamioka area. The observatory was designed to detect high energy neutrinos, to search for proton decay, study solar and atmospheric neutrinos, and keep watch for supernovae in the Milky Way Galaxy.
Сипаттама
Супер К Хиданың Камиока ауданындағы Мозуми шахтасында жер астында орналасқан. Ол 50 220 тонна (55 360 АҚШ тоннасы) таза су сақтайтын, цилиндр пішіндес, биік және диаметрі бар тот баспайтын болаттан жасалған резервуардан тұрады. Резервуар көлемі тот баспайтын болаттан жасалған үстіңгі құрылыммен ішкі детектор (ID) – биіктігі және диаметрі және қалған резервуар көлемінен тұратын сыртқы детектор (OD) болып бөлінеді. Үстіңгі құрылымға ID-ге қаратылған диаметрі 11 146 фотокөбейтуші түтік (ПМТ) және OD-ге қаратылған 1885 ПМТ орнатылған. ID және OD-ді оптикалық түрде бөлетін Tyvek және қара пленка үстіңгі құрылымға бекітілген. Нейтрино судың электрондарымен немесе ядроларымен өзара әрекеттескенде зарядталған бөлшек пайда болады, ол судағы жарық жылдамдығынан (вакуумдағы жарық жылдамдығынан баяу) жылдам қозғалады. Бұл Черенков сәулесі деп аталатын жарық конусын құрайды, ол дыбыстық соққыға оптикалық теңдес келеді. Черенков сәулесі детектордың қабырғасына сақина түрінде проекцияланады және ПМТ-лермен тіркеледі. Әрбір ПМТ-де тіркелген уақыт және заряд туралы ақпаратты пайдалана отырып, өзара әрекеттесу нүктесі, сақина бағыты және кіріп келген нейтриноның түрі анықталады. Сақина жиегінің қалыңдығынан бөлшектің түрін болжауға болады. Электрондардың көп шашырауы жоғары болғандықтан, электромагниттік душ шаңқыр сақиналар тудырады. Керісінше, жоғары релятивистік мюондар детектор арқылы дерлік түзу өтеді және өткір жиектері бар сақиналар жасайды.
Super K is located underground in the Mozumi Mine in Hida's Kamioka area. It consists of a cylindrical stainless steel tank that is tall and in diameter holding 50,220 metric tons (55,360 US tons) of ultrapure water. The tank volume is divided by a stainless steel superstructure into an inner detector (ID) region, which is in height and in diameter, and outer detector (OD) which consists of the remaining tank volume. Mounted on the superstructure are 11,146 photomultiplier tubes (PMT) in diameter that face the ID and 1,885 PMTs that face the OD. There is a Tyvek and blacksheet barrier attached to the superstructure that optically separates the ID and OD. A neutrino interaction with the electrons or nuclei of water can produce a charged particle that moves faster than the speed of light in water, which is slower than the speed of light in vacuum. This creates a cone of light known as Cherenkov radiation, which is the optical equivalent to a sonic boom. The Cherenkov light is projected as a ring on the wall of the detector and recorded by the PMTs. Using the timing and charge information recorded by each PMT, the interaction vertex, ring direction and flavor of the incoming neutrino is determined. From the sharpness of the edge of the ring the type of particle can be inferred. The multiple scattering of electrons is large, so electromagnetic showers produce fuzzy rings. Highly relativistic muons, in contrast, travel almost straight through the detector and produce rings with sharp edges.
Тарих
Қазіргі Камиока обсерваториясының алдыңғысы, Токио университетінің Космикалық сәулелерді зерттеу институты 1982 жылы салынып, 1983 жылдың сәуірінде аяқталды. Обсерваторияның мақсаты – элементар бөлшектер физикасының ең негізгі сұрақтарының бірі – протонның ыдырауының бар-жоғын анықтау еді. Камиока ядролық ыдырау эксперименті үшін КамиокаNDE деп аталған детектор, биіктігі және ені бойынша 3058 тонна таза су және оның ішкі бетіне бекітілген 1000-ға жуық фотокөбейтуші түтікшелер (ПМТ) бар резервуар болды. 1985 жылдан бастап детектор күн нейтриноларын бақылауға мүмкіндік беру үшін жаңартылды. Нәтижесінде детектор (KamiokaNDE II) 1987 жылдың ақпан айында Үлкен Магеллан бұлтында байқалған SN 1987A суперновасынан он нейтриноны және 1988 жылы күн нейтриноларын байқауға жеткілікті сезімтал болды. Камиоканде экспериментіне сәйкес, Күн нейтриноларының өзара әрекеттесуі нәтижесінде пайда болған электрондардың бағытын бақылауға мүмкіндік берді. Бұл алғаш рет Күннің нейтринолардың көзі екенін тікелей дәлелдеуге мүмкіндік берді. Нейтрино астрономиясы және нейтрино астрофизикасы бойынша жаңалықтар ашқан кезде, Камиоканде протонның ыдырауын анықтаған жоқ, бұл оның құрылысының негізгі мақсаты болды. Мұндай байқаудың болмауы, кез келген әлеуетті протонның ыдырау уақытын осындай ыдырауды рұқсат ететін GUT модельдерінің кейбірін жоюға жеткілікті болды. Басқа модельдер ыдырау уақытының ұзақтығын және сирек кездесетін ыдырауды болжайды. Мұндай ыдырауларды табу мүмкіндігін арттыру үшін үлкен детектор қажет болды. Басқа анықтамалар бойынша статистикалық сенімділікті арттыру үшін жоғары сезімталдық қажет болды. Бұл Супер Камиоканде жобалау мен құрылысына әкелді, оның су көлемі Камиокандеден он бес есе көп, ал ПМТ саны он есе артық. Супер Камиоканде жобасын 1991 жылы Жапонияның Білім, ғылым, спорт және мәдениет министрлігі шамамен 100 миллион доллар көлемінде қаржыландырып бекітті. Ұсыныстың АҚШ бөлігі, негізінен ОД жүйесін салуға арналған, 1993 жылы АҚШ Энергетика министрлігі 3 миллион долларға мақұлдады. Сонымен қатар, АҚШ IMB экспериментінен қайта өңделген 2000 20 см ПМТ-ны ұсынды. Бұл нейтриноның нөлдік емес массасы бар деген теорияны қолдаған алғашқы тәжірибелік байқау болды, бұл теоретиктер жылдар бойы болжаған мүмкіндік. 2015 жылғы Нобель физика сыйлығы Супер Камиоканде зерттеушісі Такаки Кажитаға және Артур Макдональдқа Судбери нейтрино обсерваториясында нейтрино тербелісін растаған жұмыстары үшін берілді. 2001 жылдың 12 қарашасында Super Kamiokande детекторындағы фотокөбейтуші түтіктердің шамамен 6600 (әрқайсысының құны шамамен 3000 доллар) тізбекті реакция немесе каскадтық сәтсіздікке ұшырап жарылды, өйткені әрбір жарылған түтікшенің соққы толқыны көршілерін сындырып жіберді. Детектор жарылып кетпеген фотокөбейтуші түтіктерді қайта бөлу арқылы және қорғаныш акрил қабықтарын қосу арқылы ішінара қалпына келтірілді, бұл тағы бір тізбекті реакцияның қайталануын болдырмауға көмектеседі деп үміттеніледі (Super Kamiokande II). 2005 жылдың шілдесінде детекторды бастапқы күйіне келтіру үшін 6000 ПМТ-ны қайта орнату жұмыстары басталды. Жұмыс 2006 жылдың маусым айында аяқталды, содан кейін детектор Super Kamiokande III деп аталды. Тәжірибедің бұл кезеңінде 2006 жылдың қазанынан 2008 жылдың тамызына дейін мәліметтер жиналды. Сол кезде электронды құрылғыларға елеулі өзгерістер енгізілді. Жаңартудан кейін эксперименттің жаңа кезеңі Super Kamiokande IV деп аталды. SK IV әр түрлі табиғи нейтрино көздері туралы деректер жинады, сондай-ақ Токайдан Камиокаға дейінгі (T2K) ұзақ бастапқы нейтрино тербелісі эксперименті үшін алыс детектор ретінде қызмет етті. SK IV 2018 жылдың маусымына дейін жалғасты. Бұдан кейін детектор 2018 жылдың күзінде толық жөндеуден өтті. 2019 жылдың 29 қаңтарында детектор деректерді алуды қайта бастады. 2020 жылы детектор SuperKGd жобасы үшін жаңартылды, ультра таза суға Gd тұзы қосылды, бұл супернова жарылыстарынан антинейтриноларды анықтауға мүмкіндік береді.
Construction of the predecessor of the present Kamioka Observatory, the Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo began in 1982 and was completed in April 1983. The purpose of the observatory was to detect whether proton decay exists, one of the most fundamental questions of elementary particle physics. The detector, named KamiokaNDE for Kamioka Nucleon Decay Experiment, was a tank in height and in width, containing 3,058 metric tons (3,400 US tons) of pure water and about 1,000 photomultiplier tubes (PMTs) attached to its inner surface. The detector was upgraded, starting in 1985, to allow it to observe solar neutrinos. As a result, the detector (KamiokaNDE II) had become sensitive enough to detect ten neutrinos from SN 1987A, a supernova which was observed in the Large Magellanic Cloud in February 1987, and to observe solar neutrinos in 1988. The ability of the Kamiokande experiment to observe the direction of electrons produced in solar neutrino interactions allowed experimenters to directly demonstrate for the first time that the Sun was a source of neutrinos. While making discoveries in neutrino astronomy and neutrino astrophysics, Kamiokande never detected a proton decay, the primary goal for its construction. The absence of any such observation pushed back the possible half life of any potential proton decay far enough to eliminate some of the GUT models which allow for such a decay. Other models predict a longer half life, with rarer decays. To increase the chance of detecting such decays, a larger detector would be needed. A higher sensitivity was also necessary to obtain a higher statistical confidence in other detections. This led to the design and construction of Super Kamiokande, with fifteen times the volume of water and ten times as many PMTs as Kamiokande. The Super Kamiokande project was approved by the Japanese Ministry of Education, Science, Sports and Culture in 1991 for total funding of approximately $100 million. The US portion of the proposal, which was primarily to build the OD system, was approved by the US Department of Energy in 1993 for $3M. In addition, the US has also contributed about 2000 20 cm PMTs recycled from the IMB experiment. This was the first experimental observation supporting the theory that the neutrino has non zero mass, a possibility that theorists had speculated about for years. The 2015 Nobel Prize in Physics was awarded to Super Kamiokande researcher Takaaki Kajita alongside Arthur McDonald at the Sudbury Neutrino Observatory for their work confirming neutrino oscillation. On 12 November 2001, about 6,600 of the photomultiplier tubes (costing about $3000 each) in the Super Kamiokande detector imploded, apparently in a chain reaction or cascading failure, as the shock wave from the concussion of each imploding tube cracked its neighbours. The detector was partially restored by redistributing the photomultiplier tubes which did not implode, and by adding protective acrylic shells that are hoped will prevent another chain reaction from recurring (Super Kamiokande II). In July 2005, preparations began to restore the detector to its original form by reinstalling about 6,000 PMTs. The work was completed in June 2006, whereupon the detector was renamed Super Kamiokande III. This phase of the experiment collected data from October 2006 till August 2008. At that time, significant upgrades were made to the electronics. After the upgrade, the new phase of the experiment has been referred to as Super Kamiokande IV. SK IV collected data on various natural sources of neutrinos, as well as acted as the far detector for the Tokai to Kamioka (T2K) long baseline neutrino oscillation experiment. SK IV continued until June 2018. After that, the detector underwent a full refurbishment during Autumn of 2018. On 29 January 2019 the detector resumed data acquisition. In 2020 the detector was upgraded for the SuperKGd project by adding a Gd salt to the ultrapure water in order to enable detection of antineutrinos from supernova explosions.
Детектор
Супер Камиоканде (SK) – Күн, супеновалар, атмосфера және үдеткіштер сияқты әртүрлі көздерден нейтриноларды зерттеу үшін қолданылатын Черенков детекторы. Сонымен қатар, ол протондардың ыдырауын іздеу үшін де қолданылады. Эксперимент 1996 жылдың сәуірінде басталды және 2001 жылдың шілдесінде техникалық қызмет көрсету үшін "SK I" деп аталатын кезеңде тоқтатылды. Жөндеу жұмыстары кезінде болған апаттың салдарынан, эксперимент 2002 жылдың қазан айында бастапқы ID ПМТ-ларының жартысымен қайта басталды. Қосымша апаттарды болдырмау үшін барлық ID ПМТ-лары акрилдік алдыңғы терезелері бар талшықтың күшейтілген пластигімен жабылды. 2002 жылдың қазанынан 2005 жылдың қазанында толық қайта құру үшін жабылуға дейінгі кезең "SK II" деп аталды. 2006 жылдың шілдесінде эксперимент ПМТ-ның толық санымен қайта басталды және 2008 жылдың қыркүйегінде электрониканы жаңарту үшін тоқтатылды. Бұл кезең "SK III" деп аталды. 2008 жылдан кейінгі кезең "SK IV" деп аталады. Кезеңдер мен олардың негізгі сипаттамалары 1-кестеде келтірілген.
The Super Kamiokande (SK) is a Cherenkov detector used to study neutrinos from different sources including the Sun, supernovae, the atmosphere, and accelerators. It is also used to search for proton decay. The experiment began in April 1996 and was shut down for maintenance in July 2001, a period known as "SK I". Since an accident occurred during maintenance, the experiment resumed in October 2002 with only half of its original number of ID PMTs. In order to prevent further accidents, all of the ID PMTs were covered by fiber reinforced plastic with acrylic front windows. This phase from October 2002 to another closure for an entire reconstruction in October 2005 is called "SK II". In July 2006, the experiment resumed with the full number of PMTs and stopped in September 2008 for electronics upgrades. This period was known as "SK III". The period after 2008 is known as "SK IV". The phases and their main characteristics are summarised in table 1. + Table 1Phase SK I SK II SK III SK IV Period Start 1996 Apr. 2002 Oct. 2006 Jul. 2008 Sep. End 2001 Jul. 2005 Oct. 2008 Sep. 2018 Jun. Number of PMTs ID 11146 (40%) 5182 (19%) 11129 (40%) 11129 (40%) OD 1885Anti implosion container No Yes Yes YesOD segmentation No No Yes YesFront end electronics ATM (ID) QBEE OD QTC (OD)
+ 1-кесте
The Super Kamiokande (SK) is a Cherenkov detector used to study neutrinos from different sources including the Sun, supernovae, the atmosphere, and accelerators. It is also used to search for proton decay. The experiment began in April 1996 and was shut down for maintenance in July 2001, a period known as "SK I". Since an accident occurred during maintenance, the experiment resumed in October 2002 with only half of its original number of ID PMTs. In order to prevent further accidents, all of the ID PMTs were covered by fiber reinforced plastic with acrylic front windows. This phase from October 2002 to another closure for an entire reconstruction in October 2005 is called "SK II". In July 2006, the experiment resumed with the full number of PMTs and stopped in September 2008 for electronics upgrades. This period was known as "SK III". The period after 2008 is known as "SK IV". The phases and their main characteristics are summarised in table 1. + Table 1Phase SK I SK II SK III SK IV Period Start 1996 Apr. 2002 Oct. 2006 Jul. 2008 Sep. End 2001 Jul. 2005 Oct. 2008 Sep. 2018 Jun. Number of PMTs ID 11146 (40%) 5182 (19%) 11129 (40%) 11129 (40%) OD 1885Anti implosion container No Yes Yes YesOD segmentation No No Yes YesFront end electronics ATM (ID) QBEE OD QTC (OD)
Фаза | SK I | SK II | SK III | SK IV
------- | -------- | -------- | -------- | --------
Кезең | 1996 ж. сәуір | 2002 ж. қазан | 2006 ж. шілде | 2008 ж. қыркүйек
Соңы | 2001 ж. шілде | 2005 ж. қазан | 2008 ж. қыркүйек | 2018 ж. маусым
ПМТ саны | ID 11146 (40%) | 5182 (19%) | 11129 (40%) | 11129 (40%)
| OD 1885 | OD 1885 | OD 1885 | OD 1885
Имплозияға қарсы контейнер | Жоқ | Иә | Иә | Иә
ОД сегментациясы | Жоқ | Иә | Иә | Иә
Алдыңғы электрондық құрылғы | ATM (ID) | QBEE | OD QTC (OD) | OD QTC (OD)
The Super Kamiokande (SK) is a Cherenkov detector used to study neutrinos from different sources including the Sun, supernovae, the atmosphere, and accelerators. It is also used to search for proton decay. The experiment began in April 1996 and was shut down for maintenance in July 2001, a period known as "SK I". Since an accident occurred during maintenance, the experiment resumed in October 2002 with only half of its original number of ID PMTs. In order to prevent further accidents, all of the ID PMTs were covered by fiber reinforced plastic with acrylic front windows. This phase from October 2002 to another closure for an entire reconstruction in October 2005 is called "SK II". In July 2006, the experiment resumed with the full number of PMTs and stopped in September 2008 for electronics upgrades. This period was known as "SK III". The period after 2008 is known as "SK IV". The phases and their main characteristics are summarised in table 1. + Table 1Phase SK I SK II SK III SK IV Period Start 1996 Apr. 2002 Oct. 2006 Jul. 2008 Sep. End 2001 Jul. 2005 Oct. 2008 Sep. 2018 Jun. Number of PMTs ID 11146 (40%) 5182 (19%) 11129 (40%) 11129 (40%) OD 1885Anti implosion container No Yes Yes YesOD segmentation No No Yes YesFront end electronics ATM (ID) QBEE OD QTC (OD)
SK-IV жаңарту
Алдыңғы кезеңдерде ID ПМТ-лар сигналды аналогты уақыт модульдері (АТМ) деп аталатын арнайы электронды модульдер арқылы өңдеген. Зарядты аналогқа түрлендіргіштер (QAC) және уақытты аналогқа түрлендіргіштер (TAC) осы модульдерде бар, олар заряд үшін 0,2 pC ажыратымдылығымен 0-ден 450 пикокуломбқа (pC) дейінгі динамикалық диапазонға ие, ал уақыт үшін -300-ден 1000 нс-ге дейін 0,4 нс ажыратымдылығымен. Әрбір ПМТ кіріс сигналы үшін QAC/TAC екі жұбы болды, бұл өлі уақытты болдырмады және бірнеше рет тіркелген соққыларды оқуға мүмкіндік берді, мысалы, тоқтаған мюондардың ыдырау өнімдері болып табылатын электроннан. QBEE құбырлы компоненттерді біріктіру арқылы жоғары жылдамдықты сигнал өңдеуді қамтамасыз етеді. Бұл компоненттер – қосымшаға арналған интегралдық схема (ASIC), көп соққылы уақытты сандық түрлендіргіш (TDC) және өрісте бағдарламаланатын қақпалар массиві (FPGA) түріндегі, жаңадан жасалған зарядты уақытқа түрлендіргіш (QTC). Әрбір QTC кірісінде үш күшейту диапазоны бар: "кішкентай", "орта" және "үлкен" – әрқайсысының ажыратымдылығы кестеде көрсетілген. Бұл SK Gd жобасы деп аталады (басқа атаулары: SuperKGd, SUPERK GD және осыған ұқсас атаулар). Жобаның бірінші кезеңінде 2020 жылы ультратаза суға 1,3 тонна Gd тұзы (гадолиний сульфаты октагидраты, |Gd(SO4)3⋅(H2O)8|) қосылды, бұл тұздың 0,02% (масса бойынша) құрайды. Бұл мөлшер жоспарланған мақсатты концентрацияның оннан бір бөлігіне тең. Гадолиний нейтрондарға жақындық танытады және бір нейтронды сіңіріп алғанда гамма сәулелерінің жарқын шағылысын тудырады. Супер-Камиокандеге гадолиний қосу нейтрино мен антинейтриноны ажыратуға мүмкіндік береді. Антинейтринолар 30 микросекундтай уақыт аралығында екі рет жарық шығарады, біріншісі – нейтрино протонға соққанда, екіншісі – гадолиний нейтронды сіңіргенде.
In the previous phases, the ID PMTs processed signals by custom electronics modules called analog timing modules (ATMs). Charge to analog converters (QAC) and time to analog converters (TAC) are contained in these modules that had dynamic range from 0 to 450 picocoulombs (pC) with 0.2 pC resolution for charge and from −300 to 1000 ns with 0.4 ns resolution for time. There were two pairs of QAC/TAC for each PMT input signal, this prevented dead time and allowed the readout of multiple sequential hits that may arise, e. g. from electrons that are decay products of stopping muons. The QBEE provides high speed signal processing by combining pipelined components. These components are a newly developed custom charge to time converter (QTC) in the form of an application specific integrated circuit (ASIC), a multi hit time to digital converter (TDC), and field programmable gate array (FPGA). Each QTC input has three gain ranges "Small", "Medium" and "Large" – the resolutions for each are shown in Table. This is known as the SK Gd project (other names include SuperKGd, SUPERK GD, and similar names). In the first phase of the project, 1.3 tons of a Gd salt (gadolinium sulfate octahydrate, |Gd(SO4)3⋅(H2O)8) were added to the ultrapure water in 2020, giving 0.02% (by mass) of the salt. This amount is about a tenth of the planned final target concentration. Gadolinium has an affinity for neutrons and produces a bright flash of gamma rays when it absorbs one. Adding gadolinium to the Super Kamiokande allows it to distinguish between neutrinos and antineutrinos. Antineutrinos produce a double flash of light about 30 microseconds apart, first when the neutrino hits a proton and second when gadolinium absorbs a neutron.
Атмосфералық нейтрино
Атмосфералық нейтринолар – біріншілік ғарыш сәулелерінің (көбінесе протондардың) Жер атмосферасымен өзара әрекеттесуінен туындаған бөлшектердің ыдырауынан пайда болатын екіншілік ғарыш сәулелері. Байқалатын атмосфералық нейтрино оқиғалары төрт санатқа бөлінеді. Толық қамтылған (FC) оқиғалардың барлық іздері ішкі детекторда болады, ал ішінара қамтылған (PC) оқиғалардың іздері ішкі детектордан шығып кетеді. Жоғары қарай өтетін мюондар (UTM) детектор астындағы тау жынысында пайда болып, ішкі детектор арқылы өтеді. Жоғары қарай тоқтатылатын мюондар (USM) да детектор астындағы тау жынысында пайда болады, бірақ ішкі детекторда тоқтатылады. Нейтринолардың байқалатын саны зенит бұрышына тәуелсіз, біркелкі деп болжанады. Алайда, 1998 жылы Super Kamiokande Жердің қарсы бетінде пайда болатын жоғары қарай өтетін мюон нейтриноларының саны, төмен қарай өтетін мюон нейтриноларының санынан екі есе кем екенін анықтады. Бұл нейтринолардың түрленуімен немесе басқа нейтриноларға ауысуымен түсіндіріледі. Бұл құбылыс нейтрино осцилляциясы деп аталады; бұл жаңалық нейтриноның нөлдік емес массасын көрсетеді және Стандартты модельді кеңейтуді ұсынады. Нейтринолар үш түрде осцилляциялайды, және барлық нейтринолардың тыныш күйдегі массасы бар. 2004 жылғы кейінгі талдаулар оқиға жиілігінің "Ұзындығы/Энергия" функциясы бойынша синусоидты тәуелділігін көрсетті, бұл нейтрино осцилляциясын растады.
Atmospheric neutrinos are secondary cosmic rays produced by the decay of particles resulting from interactions of primary cosmic rays (mostly protons) with Earth atmosphere. The observed atmospheric neutrino events fall into four categories. Fully contained (FC) events have all their tracks in the inner detector, while partially contained (PC) events have escaping tracks from the inner detector. Upward through going muons (UTM) are produced in the rock beneath the detector and go through the inner detector. Upward stopping muons (USM) are also produced in the rock beneath the detector, but stop in the inner detector. The number of observed number of neutrinos is predicted uniformly regardless of the zenith angle. However, Super Kamiokande found that the number of upward going muon neutrinos (generated on the other side of the Earth) is half of the number of downward going muon neutrinos in 1998. This can be explained by the neutrinos changing or oscillating into some other neutrinos that are not detected. This is called neutrino oscillation; this discovery indicates the finite mass of neutrinos and suggests an extension of the Standard Model. Neutrinos oscillate in three flavors, and all neutrinos have their rest mass. Later analysis in 2004 suggested a sinusoidal dependence of the event rate as a function of "Length/Energy", which confirmed the neutrino oscillations.
K2K эксперименті
K2K эксперименті – 1999 жылдың маусымынан 2004 жылдың қарашасына дейін өткізілген нейтрино эксперименті. Бұл эксперимент Super Kamiokande детекторы мюон нейтринолары арқылы байқаған осцилляцияларды растау мақсатында жоспарланған. Ол нейтрино осцилляцияларын көзі де, детекторы да бақылаудағы жағдайда алғаш рет оң нәтижемен өлшеуге мүмкіндік берді. Super Kamiokande детекторы экспериментте алысқа орналасқан детектор ретінде маңызды рөл атқарады. Кейінірек T2K эксперименті K2K экспериментінің екінші буын жалғасы ретінде жүргізілді.
The K2K experiment was a neutrino experiment from June 1999 to November 2004. This experiment was designed to verify oscillations observed by Super Kamiokande through muon neutrinos. It gives first positive measurement of neutrino oscillations in conditions that both source and detector are under control. The Super Kamiokande detector plays an important role in the experiment as the far detector. Later experiment T2K experiment continued as the second generation follow up to the K2K experiment.
T2K эксперименті
T2K (Tokai to Kamioka) эксперименті – Жапония, АҚШ және басқа да бірнеше елдің ынтымақтастығымен жүргізілген нейтрино эксперименті. T2K-ның мақсаты – нейтрино осцилляциясының параметрлерін толығырақ түсіну. T2K мюон нейтриноларынан электрон нейтриноларына дейінгі осцилляцияларды іздестірді және 2011 жылдың маусым айында оларға қатысты алғашқы эксперименталдық дәлелдерді жариялады. Супер Камиоканде детекторы "алыс детекторы" рөлін атқарады. Супер-К детекторы жоғары энергиялы нейтринолар мен судың өзара әрекеттесуі нәтижесінде туындаған мюондар мен электрондардың Черенков сәулесін тіркейді.
T2K (Tokai to Kamioka) experiment is a neutrino experiment collaborated by several countries including Japan, United States and others. The goal of T2K is to gain deeper understanding of parameters of neutrino oscillation. T2K has made a search for oscillations from muon neutrinos to electron neutrinos, and announced the first experimental indications for them in June 2011. The Super Kamiokande detector plays as the "far detector". The Super K detector will record the Cherenkov radiation of muons and electrons created by interactions between high energy neutrinos and water.
Протондық ыдырау
Протон Стандартты модельде толығымен тұрақты деп есептеледі. Дегенмен, Ұлы біріктірілген теориялар (GUT) протонның электрон, мюон, пион сияқты жеңіл, жоғары энергиялы зарядталған бөлшектерге ыдырайтынын болжайды, оларды бақылауға болады. Камиоканде осы теориялардың кейбіреулерін жоққа шығаруға көмектеседі. Супер Камиоканде қазіргі таңда протон ыдырауын байқауға арналған ең ірі детектор болып табылады.
The proton is assumed to be absolutely stable in the Standard Model. However, the Grand Unified Theories (GUTs) predict that protons can decay into lighter energetic charged particles such as electrons, muons, pions, or others which can be observed. Kamiokande helps to rule out some of these theories. Super Kamiokande is currently the largest detector for observation of proton decay.
Суды тазарту жүйесі
50 килотонна таза су 2002 жылдың басынан бері жабық жүйеде сағатына шамамен 30 тонна жылдамдықпен қайта өңделеді. Қазір шикі шахта суы басқа, қымбат материалдарды қажет ететін процестерге жіберілмес бұрын, бірінші кезеңнен (бөлшектер сүзгілері және RO) өңделеді. Алғашқыда, Супер Камиоканде резервуарындағы су шаң мен бөлшектерді кетіру үшін 1 мкм торлы сүзгілерден өтеді, бұл судың мөлдірлігін азайтады және Супер Камиоканде детекторының ішінде радонның пайда болуына мүмкіндік береді. PMT-ның қараңғы шу деңгейін төмендету және бактериялардың өсуін тежеу үшін суды салқындатуға жылу алмастырғыш қолданылады. Қалған бактериялар УФ-стерилизатормен жойлады. Картриджтік тазарту құрылымы (CP) судың мөлдірлігін төмендететін және радиоактивті элементтерді қоса, ауыр иондарды жояды. CP модулі айналымдағы судың кедергісін 11 МΩ·см-ден 18,24 МΩ·см-ге дейін арттырады, бұл химиялық шекке жақындауды білдіреді.
The 50 kilotons of pure water is continually reprocessed at rate about 30 tons/hour in a closed system since early 2002. Now, raw mine water is recycled through the first step (particle filters and RO) for some time before other processes, which involve expensive expendables, are imposed. Initially, water from the Super Kamiokande tank is passed through nominal 1 μm mesh filters to remove dust and particles, which reduce the transparency of the water for Cherenkov photons and provide a possible radon source inside the Super Kamiokande detector. A heat exchanger is used to cool down the water in order to reduce the PMT dark noise level as well as suppress the growth of bacteria. Surviving bacteria are killed by a UV sterilizer stage. A cartridge polisher (CP) eliminates heavy ions, which also reduce water transparency and include radioactive species. The CP module increases the typical resistivity of recirculating water from 11 MΩ cm to 18.24 MΩ cm, approaching chemical limit.
Нәтижелер
1998 жылы Super K мюон нейтриноларының тау нейтриноларына ауысуын байқау арқылы нейтрино осцилляциясының алғашқы нақты дәлелін тапты. SK протонның өмір сүру ұзақтығына, сондай-ақ сирек ыдыраулар мен нейтрино қасиеттеріне шектеулер қойды. SK протонның қаонға ыдырауының 5.9 × 1033 жылдық ең төменгі шегін анықтады. 2023 жылдың қаңтарында Super Kamiokande 1996–2018 жылдар аралығында жиналған деректер негізінде sub GeV қара материя үшін жаңа шектеулерді жариялады, оның ішінде қара материя–нуклонның серпімелі шашырау қимасы мен массалары аралығында және массаларымен шектелді, сондай-ақ «Космос: Уақыт-кеңістік саяхаты» атты телешоуда көрсетілді. 2018 жылдың қыркүйегінде детектор жөндеу жұмыстары үшін суы сорды, бұл Австралия хабар тарату корпорациясының тілшілеріне детектор резервуарының ішінде 4K сапасындағы бейнематериалдарды түсіруге мүмкіндік берді.
In 1998, Super K found first strong evidence of neutrino oscillation from the observation of muon neutrinos changed into tau neutrinos. SK has set limits on proton lifetime and other rare decays and neutrino properties. SK set a lower bound on protons decaying to kaons of 5.9 × 1033 yr
In January 2023 from data collected during the 1996–2018 period new limits were reported by Super Kamiokande for sub GeV dark matter excluding the dark matter–nucleon elastic scattering cross section between and with masses from to and was featured in an episode of Cosmos: A Spacetime Odyssey. In September 2018, the detector was drained for maintenance, affording a team of Australian Broadcasting Corporation reporters the opportunity to obtain 4K resolution video from within the detection tank.