超級神岡探測器

超級神岡探測器

超級神岡探測器（英語：Super-Kamiokande，可縮寫為Super-K或SK；日語：スーパーカミオカンデ），全名為超級神岡中微子探測實驗（Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment），是日本東京大學在岐阜縣飛驒市神岡町的茂住礦山一個深達1000米的廢棄砷礦中建造的大型中微子探測器。其目標是探測質子衰變以及被設計來尋找太陽、地球大氣的中微子，並觀測銀河系內超新星爆發。

基本介紹

  • 中文名：超級神岡探測器
  • 外文名：Super-Kamiokande
  • 屬性：中微子探測器
  • 所屬地區：日本岐阜縣
  • 建成時間：1983年
  • 用途：探測中微子在水中的切倫科夫輻射
簡介,描述,探測器,歷史,諾貝爾物理學獎,大眾文化中的超級神岡探測器,成果,參見,

簡介

超級神岡探測器（英語：Super-Kamiokande，可縮寫為Super-K或SK；日語：スーパーカミオカンデ），全名為超級神岡中微子探測實驗（Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment），是日本東京大學在岐阜縣飛驒市神岡町的茂住礦山一個深達1000米的廢棄砷礦中建造的大型中微子探測器。其目標是探測質子衰變以及被設計來尋找太陽、地球大氣的中微子，並觀測銀河系內超新星爆發。

描述

超級神岡探測器位於飛驒市神岡町的茂住礦山1,000米（3,300英尺）的地下。之所以蓋在如此深的地層中是因為要阻隔其他的宇宙射線訊號。該設施主要部分是一個高41.4米、直徑39.3米的不鏽鋼圓柱形的容器，盛有5萬噸100%的超純水，光是填滿就要兩周時間。水箱容量被分成由一個直徑為33.8米（111英尺）和高度為36.2米（119英尺）的不鏽鋼上層結構的內部探測器（ID）區，和包括其餘結構的外部探測器（OD）區。容器的內壁上安裝有11200個光電倍增管，用於探測高速中微子在水中通過時產生的切連科夫輻射。

探測器

超級神岡（SK）是用來研究從不同的來源中微子切連科夫輻射的一個探測器，包括太陽，超新星，大氣，和加速器的質子衰變。實驗開始於1996年4月，並於2001年7月停車檢修，這一段時期被稱為“SK-I”階段。由於在維修過程中發生意外事故，實驗在2002年10月繼續，只有原來一半數量的光電倍增管。為了防止再發生意外事故，所有的光電倍增管都被覆蓋的纖維增強塑膠（FRP）與丙烯酸的前窗。這一階段是從2002年10月到2005年10月為整個重建而做另一次關閉的階段，被稱為“SK-II”階段。2006年7月，實驗恢復了光電倍增管的完整數目，並在2008年9月停止實驗而做電子設備的升級。這一時期被稱為“SK-III”階段。2008年後的時期被稱為“SK-IV”階段。所有階段和它們的主要特性匯總於表1。
表1
階段SK-ISK-IISK-IIISK-IV
時期
開始
1996年4月
2002年10月
2006年7月
2008年9月
結束
2001年7月
2005年10月
2008年9月
(運行中)
光電倍增管數量
ID
11146 (40%)
5182 (19%)
11129 (40%)
11129 (40%)
OD
1885
抗爆裂容器
不
是
是
是
OD 分段
不
不
是
是
前端電子設備
ATM (ID)
QBEE
OD QTC (OD)

歷史

這台探測器最初名為“神岡核子衰變實驗”（KamiokaNDE），於1982年開始建造，1983年完工，圓柱形容器高16米，直徑15.6米，裝有3000噸水和大約1000隻光電倍增管，目的是探測粒子物理學中的一個基本問題——質子衰變。1985年，探測器開始進行擴建，名為神岡核子衰變實驗II期（KamiokaNDE-II），靈敏度大大提高。1987年2月，神岡探測器與美國的探測器共同發現了大麥哲倫雲中超新星1987A爆發時產生的中微子，這是人類首次探測到太陽系以外的天體產生的中微子。
儘管神岡探測器最初探測質子衰變的目標始終沒有實現，但卻可以接收來自太陽的中微子，並且測量其入射的方向，研究太陽中微子缺失問題。20世紀90年代，神岡觀測台耗資一億美元建造了更大的探測器，名為超級神岡探測器（Super-KamiokaNDE），它的探測物質增加到了 50000 噸高度純淨的水。一句話總結，探測器在各方面都有了長足的改進。超級神岡探測器於1996年開始觀測，其後自1998年起，超級神岡探測器開始發布探測結果。1998年，超級神岡探測器的領導者、日本科學家小柴昌俊發表了測量結果，給出中微子振盪的首個確切證據，認為中微子在三種不同“味”之間是可以相互轉換的，這也表明中微子是有質量的，而不是粒子物理標準模型中預言的零質量粒子。2002年，超級神岡探測器證實反應堆中產生的中微子發生了振盪。這個探測結果在中微子天文學和粒子物理學中具有里程碑式的意義，小柴昌俊因此獲得2002年的諾貝爾物理學獎。
2001年11月12日，超級神岡探測器數千隻光電倍增管由於連鎖反應突然爆裂，隨後工作人員重新排列了未損壞的光電倍增管，使其恢復了一部分工作能力，並加上了聚甲基丙烯酸甲酯保護殼，防止其進一步損壞。2005年7月到2006年6月，超級神岡探測器重新安裝了6000隻光電倍增管。

諾貝爾物理學獎

超級神岡探測器製造了數個諾貝爾物理學獎等級的成果，例如小柴昌俊（2002年）以及梶田隆章（2015年）。戶冢洋二的貢獻和梶田隆章相仿，但他在2008年去世，而諾貝爾獎不追認已經逝世的人。小柴、戶冢、梶田三人為師徒關係，並為超級神岡探測器之共同創建者。
2015年10月6日，梶田隆章表示：“雖然結果上是我獲得了諾貝爾獎...（中略）...我認為我的‘老師’的功勞更為重要。”韓國《朝鮮日報》指出，此處的“老師”就是已過世的戶冢洋二。戶冢被認為是“小柴最優秀的學生”。小柴昌俊曾表示，若戶冢洋二能再多活十八個月，必能得獎。

大眾文化中的超級神岡探測器

超級神岡探測器是德國攝影家安德列斯‧古爾斯基於2007年的作品《Kamiokande》之主題。該探測器亦成為美國科學紀錄片 “《宇宙時空之旅》第四篇:層層深入”的主題之一。

成果

在1987年2月，一場超新星爆發SN1987A出現在大麥哲倫星系。在此次事件中，超級神岡探測器第一次偵測到超新星中微子。超級神岡探測器對這些中微子偵測到了11場事件。這次觀測證實了超新星爆發理論的正確性，並開啟了中微子天文學。
1998年，超級神岡探測器首次發現了中微子震盪的強烈證據，其觀測到了μ子中微子轉變為τ子中微子的現象，這顯示中微子具有質量。梶田隆章在該年的“中微子物理學・宇宙物理學國際會議”上發表該結果，並因此研究獲得2015年的諾貝爾物理學獎。

參見

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