Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Японская обсерватория нейтрино Super Kamiokande (сокращение от Super Kamioka Neutrino Detection Experiment, также сокращаемое Super K или SK; スーパーカミオカンデ) — обсерватория нейтрино, расположенная под горой Икено вблизи города Хида, префектура Гифу, Япония. Она управляется Институтом исследований космических лучей Токийского университета при поддержке международной группы ученых. Обсерватория находится под землей, в шахте Мозуми, в районе Камиока города Хида. Она была спроектирована для регистрации высокоэнергетических нейтрино, поиска распада протона, изучения солнечных и атмосферных нейтрино, а также для наблюдения за сверхновыми в галактике Млечный Путь.
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.
Описание
Супер-Камиоканде расположен под землей в шахте Мозуми в районе Камиока города Хида. Он состоит из цилиндрического резервуара из нержавеющей стали высотой и диаметром, содержащего 50 220 метрических тонн (55 360 американских тонн) сверхчистой воды. Объем резервуара разделен внутренней стальной конструкцией на внутреннюю область детектора (ID) высотой и диаметром, и внешнюю область детектора (OD), которая занимает оставшийся объем резервуара. На внутренней конструкции установлено 11 146 фотомультипликаторных трубок (ФЭТ) диаметром, направленных на ID, и 1 885 ФЭТ, направленных на OD. Между ID и OD расположена преграда из материала Tyvek и черной пленки, обеспечивающая оптическую изоляцию. Взаимодействие нейтрино с электронами или ядрами воды может породить заряженную частицу, движущуюся быстрее скорости света в воде, которая, в свою очередь, меньше скорости света в вакууме. Это создает конус света, известный как излучение Черенкова – оптический аналог ударной волны. Свет Черенкова проецируется в виде кольца на стенки детектора и регистрируется ФЭТ. Анализируя информацию о времени и заряде, полученную от каждого ФЭТ, определяется точка взаимодействия, направление кольца и тип (аромат) входящего нейтрино. По четкости края кольца можно судить о типе частицы. Электроны сильно рассеиваются, поэтому электромагнитные ливни создают размытые кольца. Высокорелятивистские мюоны, напротив, проходят почти прямо через детектор, образуя кольца с четкими краями.
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.
История
Строительство предшественника нынешней обсерватории Камиока, Института исследований космических лучей, Токийского университета, началось в 1982 году и было завершено в апреле 1983 года. Целью обсерватории было обнаружить, существует ли распад протонов – один из самых фундаментальных вопросов физики элементарных частиц. Детектор, названный KamiokaNDE по имени Kamioka Nucleon Decay Experiment, представлял собой резервуар высотой и шириной, содержащий 3058 метрических тонн (3400 тонн США) чистой воды и около 1000 фотоумножительных трубок (PMT), прикрепленных к его внутренней поверхности. В 1985 году детектор был модернизирован для наблюдения солнечных нейтрино. В результате детектор (KamiokaNDE II) стал достаточно чувствительным, чтобы обнаружить десять нейтрино от SN 1987A, сверхновой, наблюдавшейся в Большом Магеллановом Облаке в феврале 1987 года, и наблюдать солнечные нейтрино в 1988 году. Способность эксперимента Камиоканде наблюдать направление электронов, образующихся при взаимодействии солнечных нейтрино, позволила экспериментаторам впервые непосредственно продемонстрировать, что Солнце является источником нейтрино. Совершая открытия в области нейтринной астрономии и нейтринной астрофизики, Камиоканде так и не обнаружил распада протонов – основной цели его постройки. Отсутствие каких-либо таких наблюдений отодвинуло возможный период полураспада любого потенциального распада протонов настолько далеко, что исключило некоторые из моделей GUT, допускающих такой распад. Другие модели предсказывают более длительный период полураспада и более редкие распады. Чтобы увеличить вероятность обнаружения таких распадов, требовался более крупный детектор. Для получения более высокой статистической достоверности в других измерениях также необходима была более высокая чувствительность. Это привело к разработке и строительству Супер Камиоканде, объем воды в котором в пятнадцать раз превышал объем Камиоканде, а количество PMT – в десять раз. Проект Super Kamiokande был одобрен японским Министерством образования, науки, спорта и культуры в 1991 году с общим финансированием около 100 миллионов долларов. Американская часть проекта, в основном направленная на создание системы OD, была одобрена Министерством энергетики США в 1993 году на сумму 3 миллиона долларов. Кроме того, США предоставили около 2000 20-сантиметровых PMT, переработанных из эксперимента IMB. Это было первое экспериментальное наблюдение, подтверждающее теорию о том, что нейтрино имеет ненулевую массу – возможность, о которой теоретики предполагали на протяжении многих лет. Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена Такааки Кажите, исследователю Супер Камиоканде, совместно с Артуром Макдональдом из Обсерватории нейтрино в Садбери за их работу, подтверждающую колебания нейтрино. 12 ноября 2001 года около 6600 фотоумножительных трубок (стоимостью около 3000 долларов за штуку) в детекторе Super Kamiokande взорвались, по-видимому, в результате цепной реакции или каскадного сбоя, поскольку ударная волна от взрыва каждой трубки растрескивала соседние. Детектор был частично восстановлен путем перераспределения неповрежденных фотоумножительных трубок и добавления защитных акриловых оболочек, которые, как ожидается, предотвратят повторение цепной реакции (Super Kamiokande II). В июле 2005 года началась подготовка к восстановлению детектора в его первоначальном виде путем переустановки около 6000 PMT. Работа была завершена в июне 2006 года, после чего детектор был переименован в Super Kamiokande III. На этом этапе эксперимента данные собирались с октября 2006 года по август 2008 года. В то время были внесены значительные улучшения в электронику. После модернизации новый этап эксперимента получил название Super Kamiokande IV. SK IV собирал данные о различных природных источниках нейтрино и выступал в качестве дальнего детектора для эксперимента по осцилляции нейтрино на длинной базе Tokai to Kamioka (T2K). SK IV продолжался до июня 2018 года. После этого детектор подвергся полной реконструкции осенью 2018 года. 29 января 2019 года детектор возобновил сбор данных. В 2020 году детектор был модернизирован для проекта SuperKGd путем добавления соли Gd в сверхчистую воду для обеспечения обнаружения антинейтрино от взрывов сверхновых.
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) — детектор Черенкова, используемый для изучения нейтрино из различных источников, включая Солнце, сверхновые, атмосферу и ускорители. Он также используется для поиска распада протона. Эксперимент начался в апреле 1996 года и был остановлен для технического обслуживания в июле 2001 года, период, известный как "SK I". В связи с аварией, произошедшей во время технического обслуживания, эксперимент возобновился в октябре 2002 года лишь с половиной первоначального количества ИД-ФЭУ. Для предотвращения дальнейших аварий все ИД-ФЭУ были покрыты стеклопластиком с акриловыми передними окнами. Этот этап, с октября 2002 года до очередного закрытия для полной реконструкции в октябре 2005 года, называется "SK II". В июле 2006 года эксперимент возобновился с полным количеством ФЭУ и был остановлен в сентябре 2008 года для модернизации электроники. Этот период был известен как "SK III". Период после 2008 года известен как "SK IV". Этапы и их основные характеристики приведены в таблице 1.
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)
+ Таблица 1
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
------- | -------- | -------- | -------- | --------
Период | Начало | 1996 апр. | 2002 окт. | 2006 июл. | 2008 сент.
| Конец | 2001 июл. | 2005 окт. | 2008 сент. | 2018 июнь
Количество ФЭУ | ID | 11146 (40%) | 5182 (19%) | 11129 (40%) | 11129 (40%)
| OD | 1885
Контейнер против имплозии | Нет | Да | Да | Да
Сегментация ОД | Нет | Нет | Да | Да
Передняя электроника | ATM (ID) | QBEE | 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)
Улучшение SK-IV
На предыдущих этапах ИД ПМТ обрабатывали сигналы с помощью специальных электронных модулей, называемых аналоговыми модулями времени (АТМ). Эти модули содержат преобразователи заряда в аналоговый сигнал (QAC) и времени в аналоговый сигнал (TAC) с динамическим диапазоном от 0 до 450 пикокулонов (pC) и разрешением 0,2 пКл для заряда, а также от −300 до 1000 нс и разрешением 0,4 нс для времени. Для каждого входного сигнала ПМТ использовались две пары QAC/TAC, что предотвращало мертвое время и позволяло считывать множественные последовательные события, например, от электронов, являющихся продуктами распада остановившихся мюонов. QBEE обеспечивает высокоскоростную обработку сигнала за счет объединения последовательно соединенных компонентов. Эти компоненты включают в себя недавно разработанный специализированный преобразователь заряда в время (QTC), выполненный в виде специализированной интегральной схемы (ASIC), многоканальный преобразователь времени в цифровой код (TDC) и полевую программируемую вентильную матрицу (FPGA). Каждый вход QTC имеет три диапазона усиления: "Малый", "Средний" и "Большой", – разрешение для каждого из них приведено в таблице. Этот проект известен как SK Gd (другие названия включают SuperKGd, SUPERK GD и подобные). На первом этапе проекта в 2020 году в сверхчистую воду было добавлено 1,3 тонны соли гадолиния (октагидрат сульфата гадолиния, Gd(SO4)3⋅(H2O)8), что составило 0,02% (по массе) соли. Это количество составляет примерно десятую часть запланированной конечной целевой концентрации. Гадолиний обладает сродством к нейтронам и при их поглощении генерирует яркую вспышку гамма-лучей. Добавление гадолиния в Super Kamiokande позволяет различать нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино производят двойную вспышку света с интервалом около 30 микросекунд: сначала при столкновении нейтрино с протоном, а затем при поглощении нейтрона гадолинием.
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.
Атмосферное нейтрино
Атмосферные нейтрино — это вторичные космические лучи, образующиеся в результате распада частиц, возникающих при взаимодействии первичных космических лучей (в основном протонов) с атмосферой Земли. Наблюдаемые атмосферные нейтринные события делятся на четыре категории. Полностью содержащиеся (FC) события имеют все свои треки во внутреннем детекторе, тогда как частично содержащиеся (PC) события имеют треки, выходящие за пределы внутреннего детектора. Муоны, направленные вверх (UTM), образуются в породе под детектором и проходят сквозь внутренний детектор. Муоны, останавливающиеся вверх (USM), также образуются в породе под детектором, но останавливаются во внутреннем детекторе. Теоретически, количество наблюдаемых нейтрино должно быть равномерным независимо от угла зенита. Однако, в 1998 году Super Kamiokande обнаружил, что количество мюонных нейтрино, направленных вверх (генерируемых с противоположной стороны Земли), составляет половину от количества мюонных нейтрино, направленных вниз. Это можно объяснить тем, что нейтрино изменяются или осциллируют в другие типы нейтрино, которые не детектируются. Этот процесс называется нейтринными осцилляциями; это открытие указывает на ненулевую массу нейтрино и предполагает необходимость расширения Стандартной модели. Нейтрино осциллируют между тремя ароматами, и все нейтрино обладают массой покоя. Последующий анализ в 2004 году выявил синусоидальную зависимость интенсивности событий от отношения "Длина/Энергия", что подтвердило нейтринные осцилляции.
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.
Эксперимент K2K
Эксперимент K2K был экспериментом по исследованию нейтрино, проводившимся с июня 1999 года по ноябрь 2004 года. Этот эксперимент был разработан для подтверждения осцилляций, наблюдаемых Super Kamiokande, с использованием мюонных нейтрино. Он предоставил первое положительное измерение осцилляций нейтрино в условиях, когда как источник, так и детектор находились под контролем. Детектор Super Kamiokande играл важную роль в эксперименте, выступая в качестве дальнего детектора. Впоследствии эксперимент T2K продолжил работу как второе поколение, последовавшее за экспериментом K2K.
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.
Эксперимент T2K
Эксперимент T2K (Tokai to Kamioka) — это международный эксперимент по изучению нейтрино, в котором сотрудничают несколько стран, включая Японию и Соединенные Штаты. Цель T2K — получить более глубокое понимание параметров нейтринных осцилляций. Эксперимент T2K проводил поиск осцилляций мюонных нейтрино в электронные и в июне 2011 года представил первые экспериментальные свидетельства их существования. Детектор Супер-Камиоканде выполняет роль "дальнего детектора". Детектор Super-K регистрирует излучение Черенкова, создаваемое мюонами и электронами, возникающими при взаимодействии высокоэнергетических нейтрино с водой.
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.
Протонный распад
Протон считается абсолютно стабильным в рамках Стандартной модели. Однако, Великие объединенные теории (GUT) предсказывают, что протоны могут распадаться на более легкие, энергичные заряженные частицы, такие как электроны, мюоны, пионы или другие, которые можно наблюдать. Камиоканде помогает исключить некоторые из этих теорий. Супер-Камиоканде в настоящее время является самым большим детектором для наблюдения распада протонов.
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.
Система очистки воды
50 килотонн чистой воды непрерывно перерабатываются со скоростью около 30 тонн в час в замкнутой системе с начала 2002 года. В настоящее время сырая шахтная вода проходит предварительную очистку на первом этапе (частичные фильтры и обратный осмос) в течение некоторого времени, прежде чем применяются другие процессы, требующие дорогостоящих расходных материалов. Изначально вода из резервуара Super Kamiokande пропускается через сетчатые фильтры с номинальным размером ячейки 1 мкм для удаления пыли и частиц, которые снижают прозрачность воды для фотонов Черенкова и могут являться источником радона внутри детектора Super Kamiokande. Теплообменник используется для охлаждения воды, что позволяет снизить уровень темнового шума фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и подавить рост бактерий. Оставшиеся бактерии уничтожаются с помощью УФ-стерилизатора. Картриджный полировщик (CP) удаляет тяжелые ионы, которые также снижают прозрачность воды и содержат радиоактивные изотопы. Модуль CP повышает типичное удельное сопротивление циркулирующей воды с 11 МΩ·см до 18,24 МΩ·см, приближаясь к химическому пределу.
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.
Результаты
В 1998 году Super K обнаружил первые убедительные доказательства осцилляций нейтрино, наблюдая превращение мюонных нейтрино в тау-нейтрино. SK установил ограничения на время жизни протонов и другие редкие распады, а также на свойства нейтрино. SK установил нижний предел времени жизни протонов при распаде на каоны, равный 5,9 × 1033 лет.
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
В январе 2023 года, на основе данных, собранных в период с 1996 по 2018 год, Super Kamiokande опубликовал новые ограничения на темную материю с массой менее 1 ГэВ, исключая сечение упругого рассеяния темной материи на ядрах в диапазоне между и с массами от до . Эпизод, посвященный Super Kamiokande, был показан в телесериале «Космос: одиссея пространства-времени». В сентябре 2018 года детектор был осушен для проведения технического обслуживания, что позволило съемочной группе Австралийской вещательной корпорации получить 4K-видео изнутри детекционной камеры.
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.