Super-Kamiokande
Super-Kamiokande — детектор нейтрино в префектуре Гифу в Японии, на глубине 1 000 метров под горой Икэно. С его помощью в 1998 году было получено первое надёжное доказательство нейтринных осцилляций — и тем самым свидетельство того, что нейтрино обладают массой.
Устройство
Бак представляет собой цилиндр диаметром 39 метров и высотой 42 метра, заполненный 50 000 тоннами чрезвычайно чистой воды. На стенках закреплено более одиннадцати тысяч фотоумножителей диаметром полметра каждый — крупнейших из когда-либо изготовленных серийно.
Принцип регистрации — излучение Черенкова. Когда нейтрино попадает в электрон или атомное ядро, возникает заряженная частица. Если она движётся быстрее света в воде — что допустимо, ведь там свет медленнее, чем в вакууме, — то она тянет за собой световой конус, подобный носовой волне корабля.
На стенке бака этот конус вычерчивает кольцо. Из его положения следует направление, из его яркости — энергия, а из его резкости — тип частицы: электрон рассеивается на своём пути и создаёт размытое кольцо, мюон идёт прямо и создаёт резкое. Именно это различие было решающим для открытия 1998 года.
Скала над детектором соответствует 2 700 метрам воды и задерживает бо́льшую часть космических мюонов.
Открытие 1998 года
Детектор был введён в эксплуатацию в апреле 1996 года. Двумя годами позже Такааки Кадзита представил результат, который прославил установку.
Атмосферные нейтрино приходят со всех направлений — сверху после 15 километров пути, снизу после 13 000 километров сквозь Землю. Super-Kamiokande обнаружил сверху ожидаемое число мюонных нейтрино, а снизу — лишь около половины. Электронные нейтрино такого дефицита не показали.
Зависимость от угла падения и была собственно доказательством. Ошибка детектора подействовала бы одинаково и сверху, и снизу; превращение, зависящее от длины пути, действует именно так.
Авария 2001 года
12 ноября 2001 года, когда бак после работ по обслуживанию снова заполняли, одна из трубок фотоумножителей схлопнулась на глубине. Ударная волна увлекла за собой следующую, затем следующую за ней. За считаные секунды цепная реакция уничтожила около 6 600 из одиннадцати тысяч трубок.
Ущерб составил многие миллионы долларов и мог бы означать конец предприятия. Коллаборация заново распределила оставшиеся трубки по баку и в течение года возобновила работу с половинным заполнением. К 2006 году весь комплект был заменён — и с тех пор каждая трубка несёт защитную оболочку из акрила и стекловолокна, чтобы подобный эффект домино не мог повториться.
Что ещё делает детектор
Солнечные нейтрино. В отличие от радиохимических методов Super-Kamiokande измеряет в реальном времени и с указанием направления. Нейтрино доказуемо приходят с направления Солнца.
Эксперименты с пучком. С 2010 года установка служит точкой назначения T2K — пучка нейтрино из Токая, за 295 километров. С его помощью в 2013 году впервые удалось зарегистрировать появление электронных нейтрино в пучке мюонных нейтрино.
Распад протона. Изначальный вопрос детектора-предшественника исследуется и дальше. Ничего не найдено; нижняя граница времени жизни протона составляет теперь более 10³⁴ лет.
Готовность к сверхновой. Если в нашей Галактике взорвётся звезда, детектор уловил бы тысячи нейтрино. Он входит во всемирную сеть раннего оповещения для астрономов.
Гадолиний
С 2020 года в воду примешивают гадолиний. Этот элемент захватывает нейтроны и испускает при этом характерный световой сигнал.
Выигрыш существенный: это позволяет распознавать обратный бета-распад по двойному сигналу и надёжно отличать антинейтрино от нейтрино. Тем самым открывается поиск диффузного фона нейтрино от сверхновых — суммы всех звёздных взрывов в истории Вселенной.
Преемник
Hyper-Kamiokande строится в настоящее время и с примерно 258 000 тоннами воды должен вмещать примерно восьмикратный объём. Сам Super-Kamiokande остаётся в работе.
Связанные понятия
- Такааки Кадзита — открытие 1998 года
- Масатоси Косиба — детектор-предшественник
- Излучение Черенкова — принцип регистрации
- T2K — пучок из Токая
- Hyper-Kamiokande — преемник
Источники
- Коллаборация Super-Kamiokande (Y. Fukuda и др.): Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
- Коллаборация Super-Kamiokande: First gadolinium loading to Super-Kamiokande, Nuclear Instruments and Methods A 1027, 166248 (2022).