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萨德伯里中微子观测站

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坐标46°29′26″N 80°59′39″W / 46.49056°N 80.99417°W / 46.49056; -80.99417 萨德伯里中微子观测站(英语:Sudbury Neutrino Observatory,缩写为SNO)是位于加拿大安大略省萨德伯里2100米深的矿中的中微子观测站。因为对于中微子振荡的发现做出重大贡献,SNO实验主任阿瑟·麦克唐纳荣获2015年诺贝尔物理学奖。萨德伯里中微子观测站的建立是为了要研究太阳中微子问题[1]。观测站的中微子探测器主要是用来探测太阳中微子,通过它们与重水的相互作用。探测器从1999年5月开始启用,直到2006年11月为止。虽然探测器已停止运作,在未来数年中,SNO团队仍会继续分析在那段时期获得的数据。现今(2015年),已被扩充的地下实验室仍旧继续被用来进行其它SNOLAB实验。SNO的设备正在整修,准备未来用于SNO+英语SNO+实验。

实验动机

早于1960年代,就已有实验获得关于太阳中微子抵达地球的测量数据。在SNO实验之前,所有实验都只观测到大约为标准太阳模型所预测的中微子数量的1/3至1/2[2]。这效应被称为太阳中微子问题。几十年来,很多理论被提出来解释这效应。其中一个是中微子振荡假说。

1984年,尔湾加州大学物理学教授赫伯特·陈英语Herbert Chen最先指出,重水是制作太阳中微子探测器的优良材料。与其它先前探测器不同,使用重水为材料的探测器能够感受到两种反应,一种会感受到所有风味的中微子,另一种只会感受到电中微子,因此,这探测器可以直接测量中微子振荡。萨德伯里的科瑞顿矿井英语Creighton Mine是全世界最深的矿之一,背景辐射非常低,因此很快地就被确认为安置赫伯特·陈所提议的实验的理想地点。同年,SNO团队举行第一次会议。1990年,实验计划正式被批准。[3]

在这实验里,当中微子与重水相互作用时,会出现相对论性电子以高速度移动经过重水,因切连科夫效应而产生蓝色光锥。中微子探测器可以直接探测到这蓝色光波。[4]

探测器细节

SNO探测器的主要部分是一个直径12米的球形容器,里面装有1000吨重水,容器壁用丙烯酸脂制成,厚度为5厘米,在容器的外面有一个直径17米的测地球英语geodesic sphere,在测地球里面安装了9600个光电倍增管,用于探测切连科夫辐射。为了给予浮力与辐射屏蔽,整个探测器浸泡在直径22米34米高的装满普通水的圆柱形腔中,在全世界里,这么深的地下腔之中,这是最大的地下腔[5],为了预防岩爆英语rock burst,需要使用高功能锚杆支护英语rock bolt技术。安装在安大略省萨德伯里的科瑞顿矿井里,深度达到2100米,这样做的目的是利用地层对宇宙线进行屏蔽,以减轻干扰。[6][3]

SNO的控制室与设备室都维持在洁净室状况。整个设施大部分维持在级别 3000标准的洁净度,即尺寸不小于1 μm的粒子少于3000个每1 m3空气;载有探测器的圆柱形腔维持在级别 1000标准的洁净度。[3]

电性流相互作用

电性流相互作用里,中微子将重氢里的中子变为质子,并且释出一个电子

其中,是电中微子,是重氢,是质子,是电子。

太阳中微子的能量小于μ子τ子的质量,因此只有电中微子能够参与反应。释出的电子会带走中微子的大部分能量,由于这能量相当强大,电子会以相对论性速度被发射出来。由于这速度大于光子移动于水中的速度,因此会产生切连科夫辐射,可以被光电倍增管探测到,而辐照度则与入射中微子的能量呈正比。释出的电子朝着所有方向发射,但它们稍微比较青睐朝着中微子源的方向发射。标准太阳模型预言,SNO实验每日大约会发生30个电性流事件。[4][7]

中性流相互作用

中性流相互作用里,中微子离解重氢,将其分裂成中子、质子:

其中,是任意一种中微子,是中子。

中微子因此会失去一些能量,但仍旧继续存在。三种中微子参与这相互作用的可能性都相同。中子的捕获截面会随着中子的慢化而增加。随着中子接连地散射于重水,中子的能量会降低,速度越来越慢,最终会被水的原子核捕获,同时发射出伽马射线,其与电子发生散射,传输能量给电子,从而产生可被探测的切连科夫辐射。慢化过程摧毁了所有能量信息与方向信息。SNO实验发展出两种方法来改善探测效率。一种方法使用氦-3正比计数器,另一种方法使用氯盐。标准太阳模型预言,SNO实验每日大约会发生30个中性流事件。[4][8]:28

电子弹性散射

在电子弹性散射英语elastic scattering里,中微子与束缚于原子里的电子发生碰撞:

在这过程里,中微子会传输给电子一些能量。所有三种中微子都能参与这相互作用,这是通过交换中性Z玻色子,电中微子也可通过交换电性W玻色子参与这相互作用,这使得电中微子的反应截面增加6至7倍。因此,电子弹性散射的主要参与者是电中微子。由于这相互作用就好似台球的相对论性版本,生成的电子的移动方向通常会与中微子移动方向一样(朝着远离太阳的方向)。由于这种相互作用发生在束缚于原子的电子,它在重水与轻水都会发生。标准太阳模型预言,SNO实验每日大约会发生3个电子散射事件。[4][8]:28

实验结果与影响

2001年6月18日,SNO首次发表科学结果,首先给出中微子振荡的明确证据。[9][10]这结果意味着中微子的质量不等于零。SNO观测到的所有中微子的总通量符合理论预言。之后,更多SNO实验结果确定与改善原本结果。

虽然超级神冈探测器捷足先登,早在1998年就发表中微子振荡的证据,它的结果并非终极结果,并且不是专注于观测太阳中微子。SNO的结果首先直接展示太阳中微子的震荡。对于标准太阳模型,这结果具有关键性作用。SNO发表的两篇论文已被引用超过1,500 次,另外两篇论文也已被引用超过750次,从此可以知悉SNO结果在这领域所造成的重大影响。[11]2007年,富兰克林学院英语Franklin Institute颁授物理学的富兰克林奖章给SNO主任阿瑟·麦克唐纳[12]由于“发现了中微子震荡,并因此证明了中微子具有质量”,麦克唐纳分享2015 年诺贝尔物理学奖。[13]

更多功能

当SNO探测器工作时,它可以探测到发生于银河系内的超新星。由于中微子的释出时间会比光子早很多,天文团体可以提早警觉到超新星光学事件将会发生。SNO是超新星早期预警系统(SNEWS)的创始成员之一。尚未发生任何超新星预警事件。[3]

SNO实验能够观测到宇宙射线与在大气层产生的大气中微子。与超级神冈探测器相比较,由于SNO探测器的尺寸大小比较有限,能量低于1 GeV的宇宙射线中微子信号不具有统计显著性。 [3]

参阅

参考文献

  1. ^ Day, Charles. Takaaki Kajita and Arthur McDonald share 2015 Physics Nobel Prize. Physics Today. 2015-10-07. Established in 1984 in an abandoned nickel mine, the Sudbury Neutrino Observatory was conceived to resolve the solar neutrino problem. 
  2. ^ Bahcall, John. Solving the Mystery of the Missing Neutrinos. Nobelprize.org. Nobel Media. 2015. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 The Sudbury Neutrino Observatory – Canada's eye on the universe. CERN Courier. CERN. 2001-12-04 [2008-06-04]. (原始内容存档于2016-06-25). 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 The SNO Detector. Sudbury Neutrino Observatory. 2015. 
  5. ^ Brewer, Robert. Deep Sphere: The unique structural design of the Sudbury Neutrinos Observatory buried within the earth. Canadian Consulting Engineer. 
  6. ^ First Results from the Sudbury Neutrino Observatory Explain the Missing Solar Neutrinos and Reveal New Neutrino Properties. Sudbury Neutrino Observatory. 2001-06-18 [2015-10-08]. (原始内容存档于2015-12-12). 
  7. ^ SNO Collaboration. Measurement of the rate of nu_e + d --> p + p + e^- interactions produced by 8B solar neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory. Phys. REv. Lett. 2001-07-25, 87 (7): 071301. doi:10.1103/PhysRevLett.87.071301. CC electrons are expected to have a distribution which is (1-0.340 cos θ), before accounting for detector response.  参数|quote=值左起第76位存在换行符 (帮助)
  8. ^ 8.0 8.1 Thornewell, Peter. Neutral Current Detectors for the Sudbury Neutrino Observatory (PDF) (Thesis). Oxford University. 1997. 
  9. ^ Ahmad, QR; 等. Measurement of the Rate of νe + dp + p + e Interactions Produced by 8B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory. Physical Review Letters. 2001, 87 (7): 071301. Bibcode:2001PhRvL..87g1301A. arXiv:nucl-ex/0106015. doi:10.1103/PhysRevLett.87.071301. 
  10. ^ Sudbury Neutrino Observatory First Scientific Results. 2001-07-03 [2008-06-04]. (原始内容存档于2015-12-12). 
  11. ^ SPIRES HEP Results. SPIRES. SLAC. [2009-10-06]. (原始内容存档于2020-01-29). 
  12. ^ Arthur B. McDonald, Ph.D.. Franklin Laureate Database. Franklin Institute. [2008-06-04]. (原始内容存档于2008-10-04). 
  13. ^ The Nobel Prize in Physics 2015. [2015-10-06]. (原始内容存档于2016-05-15). 

外部链接

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