서드베리 중성미자 천문대

Sudbury Neutrino Observatory
표준 모델을 넘어서는
CMS Higgs-event.jpg
양성자가 강입자 제트 및 전자로 충돌하여 생성되는 힉스 입자를 나타내는 대형 강입자 충돌기 CMS 입자 검출기 데이터 시뮬레이션
표준 모델
증거
이론들
초대칭성
양자 중력
실험
아티스트의 SNO 검출기 컨셉(SNO의 작품)

서드베리 중성미자 관측소(SNO)는 캐나다 온타리오주 서드베리에 있는 베일의 크레이튼 광산의 지하 2100m에 위치한 중성미자 관측소였다.이 검출기는 태양 중성미자가 큰 중수탱크와의 상호작용을 통해 검출되도록 설계되었다.

검출기는 1999년 5월에 켜졌고 2006년 11월 28일에 꺼졌다.SNO의 콜라보레이션은, 그 후 몇년간에 걸쳐서 행해졌습니다.

이 실험의 책임자인 아트 맥도날드는 중성미자 진동 [1]발견에 기여한 공로로 2015년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

지하 실험실은 상설 시설로 확장되어 현재 SNOLAB로 여러 실험을 운영하고 있다.SNO 기기 자체는 현재 SNO+ 실험용으로 리퍼비시되고 있습니다.

실험 동기

다음 항목도 참조하십시오.태양 중성미자 문제

지구에 도달하는 태양 중성미자의 수에 대한 첫 번째 측정은 1960년대에 이루어졌으며, SNO 이전의 모든 실험은 표준 태양 모델에 의해 예측된 것보다 3분의 1에서 반의 중성미자를 관찰했다.여러 실험에서 이러한 결손이 확인됨에 따라 그 효과는 태양 중성미자 문제로 알려지게 되었다.수십 년 동안 그 효과를 설명하기 위해 많은 아이디어가 제시되었는데, 그 중 하나는 중성미자 진동 가설이었다.SNO 이전의 모든 태양 중성미자 검출기는 주로 또는 독점적으로 전자 중성미자에 민감했으며 뮤온 중성미자와 타우 중성미자에 대한 정보를 거의 또는 전혀 얻지 못했다.

1984년, 어바인에 있는 캘리포니아 대학의 Herb Chen은 태양 [2]중성미자의 검출기로 중수를 사용하는 것의 장점을 처음으로 지적했다.기존 검출기와 달리 중수를 사용하면 검출기가 두 가지 반응에 민감하게 된다. 하나는 모든 중성미자 향미에 민감하게 반응하고 다른 하나는 전자 중성미자에만 민감하게 반응한다.따라서 이러한 검출기는 중성미자 진동을 직접 측정할 수 있다.CANDU 원자로 발전소를 지원하기 위해 대량의 중수를 비축하고 있는 캐나다 원자력 유한회사는 [3][4]필요한 양(시장 가격 3억3000만 원 상당)을 무상으로 빌려줄 용의가 있었기 때문에 캐나다의 위치는 매력적이었다.

서드베리에 있는 크레이튼 광산은 세계에서 가장 깊은 곳 중 하나이며, 따라서 매우 작은 방사선의 플럭스를 경험합니다.이곳은 Chen이 제안한 실험을 [3]위한 이상적인 장소로 빠르게 확인되었고 광산 경영진은 추가 [5]: 440 비용만으로 그 장소를 제공할 용의가 있었습니다.

SNO 콜라보레이션은 1984년에 첫 회의를 열었다.당시 TRIUMF의 KAON Factory 제안과 경쟁하여 SNO를 지원하는 다양한 대학이 개발 대상으로 선정되었습니다.공식적인 승인은 1990년에 내려졌다.

이 실험은 중성미자 상호작용에 의해 생성된 물에서 상대론적 전자에 의해 생성된 빛을 관찰했다.상대론적 전자가 매체를 통과할 때 체렌코프 효과를 통해 푸른 빛의 원뿔을 생성하면서 에너지를 잃게 되고, 바로 이 빛이 직접적으로 감지됩니다.

디텍터 설명

Sudbury 중성미자 검출기(SNO의 특성)
검출기 내부의 광각도(SNO의 범위)

SNO 검출기 대상은 반경 6m(20ft) 아크릴 용기에 포함된 1,000톤(1,102 쇼트톤)의 중수로 구성됐다.용기 외부의 검출기 공동은 용기에 부력과 방사선 차폐를 제공하기 위해 정상 물로 채워졌다.중수는 반경 약 850cm(28ft)의 측지선에 장착된 약 9,600개의 광전자 증배관(PMT)에 의해 관찰되었다.검출기를 수용하는 공동은 그러한 [6]깊이에서 세계에서 가장 컸으며, 암석 폭발을 방지하기 위해 다양한 고성능 암석 볼트 기술이 필요했다.

관측소는 "SNO 드리프트"라고 이름 붙여진 1.5km(0.9mi) 길이의 표류 끝에 위치해 있어 다른 채굴 작업으로부터 격리되어 있다.드리프트를 따라 많은 수술실과 장비실이 있으며, 모두 클린룸으로 되어 있습니다.대부분의 시설은 클래스 3000(공기 1ft당3 1μm 이상의 입자 3,000개 미만)이지만 검출기를 포함하는 최종 공동은 더 엄격한 클래스 [3]100이다.

대전 전류 상호 작용

대전된 전류 상호작용에서 중성미자는 중수소의 중성자를 양성자로 변환합니다.중성미자는 반응에 흡수되어 전자가 생성된다.태양 중성미자는 뮤온이나 타우 렙톤의 질량보다 작은 에너지를 가지고 있기 때문에 전자 중성미자만이 이 반응에 참여할 수 있다.방출된 전자는 중성미자의 에너지의 대부분을 5~15MeV로 운반하여 검출할 수 있습니다.생성된 양성자는 쉽게 검출될 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있지 않다.이 반응에서 생성된 전자는 모든 방향으로 방출되지만 중성미자가 온 방향을 가리키는 약간의 경향이 있습니다.

중성 전류 상호 작용

중성미자는 중성자를 분리하여 중성자와 양성자로 나눈다.중성미자는 약간 적은 에너지로 계속 진행되며, 세 가지 중성미자 향미 모두 이 상호작용에 참여할 가능성이 높습니다.중수는 중성자의 단면이 작지만 중성자가 중수소 핵에 포착되면 약 6MeV의 에너지를 가진 감마선(광자)이 생성된다.감마선의 방향은 중성미자의 방향과 전혀 상관없다.해리된 중수소에서 생성된 중성자 중 일부는 아크릴 용기를 통해 중수를 둘러싼 가벼운 워터 재킷으로 들어가며, 경수는 중성자 포획을 위한 단면이 매우 크기 때문에 이들 중성자는 매우 빠르게 포획된다.이 반응에서 약 2.2 MeV의 감마선이 생성되지만 광자의 에너지가 검출기의 에너지 임계값보다 작기 때문에(광전자 증배기를 트리거하지 않음) 직접 관측할 수 없다.그러나 감마선이 콤프턴 산란을 통해 전자와 충돌할 경우 가속 전자는 체렌코프 방사선을 통해 검출될 수 있다.

전자 탄성 산란

탄성 산란 상호작용에서 중성미자는 원자 전자와 충돌하여 에너지의 일부를 전자에 부여한다.중성미자 3개 모두 중성Z보손의 교환을 통해 이 상호작용에 참여할 수 있으며 전자중성미자도 하전된 W보손의 교환에 참여할 수 있다.이러한 이유로 이 상호작용은 전자 중성미자에 의해 지배되며, 이는 Super-Kamiokande(Super-K) 검출기가 태양 중성미자를 관찰할 수 있는 통로이다.이 상호작용은 당구의 상대론적 등가이며, 이러한 이유로 생성된 전자는 보통 중성미자가 이동하는 방향을 가리킵니다(태양에서 멀리 떨어진 곳).이 상호작용은 원자 전자에서 일어나기 때문에 중수 및 경수 모두에서 동일한 속도로 발생합니다.

실험 결과와 영향

SNO의 첫 번째 과학적 결과는 [7][8]2001년 6월 18일에 발표되었으며, 중성미자가 태양에서 이동할 때 진동한다는 최초의 명확한 증거를 제시하였다.결국 이 진동은 중성미자가 0이 아닌 질량을 가지고 있다는 것을 의미합니다.SNO에 의해 측정된 모든 중성미자 향미의 총 플럭스는 이론적 예측과 잘 일치한다.이후 SNO에 의한 추가 측정을 통해 원래 결과의 정밀도가 확인되고 향상되었습니다.

슈퍼-K는 1998년 초 중성미자 진동에 대한 증거를 발표하면서 SNO를 압도했지만, 슈퍼-K 결과는 결정적이지 않았고 태양 중성미자를 구체적으로 다루지 않았다.SNO의 결과는 태양 중성미자의 진동을 직접적으로 보여주는 첫 번째 결과였다.이것은 표준 태양 모델에 중요했다.2007년 프랭클린 연구소는 SNO 아트 맥도날드 소장에게 벤자민 프랭클린 [9]물리학상을 수여했다.2015년 노벨 물리학상은 Arthur B에게 공동 수여되었습니다.중성미자 [10]진동 발견을 위해 맥도널드, 도쿄 대학의 카지타 다카아키 씨.

기타 가능한 분석

만약 탐지기가 온라인 상태일 때 초신성이 발생했다면 SNO 탐지기는 우리 은하 내에서 초신성을 탐지할 수 있었을 것이다.초신성이 방출하는 중성미자가 광자보다 먼저 방출되기 때문에 초신성이 가시화되기 전에 천문학계에 알릴 수 있다.SNO는 Super-Kamiokande와 대용량 검출기를 갖춘 초신성 조기 경보 시스템(SNEWS)의 창립 멤버였다.그러한 초신성은 아직 발견되지 않았다.

SNO 실험은 또한 대기 중 우주선의 상호작용에 의해 생성된 대기 중 중성미자를 관찰할 수 있었다.Super-K에 비해 SNO 검출기의 크기가 제한적이기 때문에 1GeV 미만의 중성미자 에너지에서는 낮은 우주선 중성미자 신호가 통계적으로 유의하지 않다.

참가 기관

대규모 입자 물리학 실험에는 대규모 협업이 필요합니다.약 100명의 협력자가 있는 SNO는 충돌기 실험에 비해 다소 작은 그룹이었다.참가 기관에는 다음이 포함됩니다.

캐나다

비록 더 이상 협력 기관이 아니지만, Chokk River 연구소는 중수를 담는 아크릴 용기 건조를 주도했고, 중수의 원천은 Atomic Energy Limited of Canada였다.

영국

미국

영예와 상

「 」를 참조해 주세요.

  • DEAP – SNO 위치에서 Argon 펄스 형상을 사용한 암흑 물질 실험
  • 홈스테이크 실험 – 사우스다코타 주 리드 광산에서 1970~1994년에 실시된 이전 실험
  • SNO+:SNO의 후계자
  • SNOLAB – SNO를 중심으로 구축된 상설 지하 물리학 연구소

레퍼런스

좌표:46°28~30°N 81°12′04″w/46.47500°N 81.20111°W/ 46.47500; -81.20111[12]

  1. ^ "2015 Nobel Prize in Physics: Canadian Arthur B. McDonald shares win with Japan's Takaaki Kajita". CBC News. 2015-10-06.
  2. ^ Chen, Herbert H. (September 1984). "Direct Approach to Resolve the Solar-Neutrino Problem". Physical Review Letters. 55 (14): 1534–1536. Bibcode:1985PhRvL..55.1534C. doi:10.1103/PhysRevLett.55.1534. PMID 10031848.
  3. ^ a b c "The Sudbury Neutrino Observatory – Canada's eye on the universe". CERN Courier. CERN. 4 December 2001. Retrieved 2008-06-04.
  4. ^ "Heavy Water". 31 January 2006. Archived from the original on 2015-12-19. Retrieved 2015-12-03.
  5. ^ Jelley, Nick; McDonald, Arthur B.; Robertson, R.G. Hamish (2009). "The Sudbury Neutrino Observatory" (PDF). Annual Review of Nuclear and Particle Science. 59 (1): 431–65. Bibcode:2009ARNPS..59..431J. doi:10.1146/annurev.nucl.55.090704.151550. 그 프로젝트에 대한 좋은 회고전.
  6. ^ Brewer, Robert. "Deep Sphere: The unique structural design of the Sudbury Neutrinos Observatory buried within the earth". Canadian Consulting Engineer. Archived from the original on 2016-03-04. Retrieved 2016-01-14.
  7. ^ Ahmad, QR; et al. (2001). "Measurement of the Rate of νe + d → p + p + e− Interactions Produced by 8B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory". Physical Review Letters. 87 (7): 071301. arXiv:nucl-ex/0106015. Bibcode:2001PhRvL..87g1301A. doi:10.1103/PhysRevLett.87.071301. PMID 11497878.
  8. ^ "Sudbury Neutrino Observatory First Scientific Results". 3 July 2001. Archived from the original on 2015-12-12. Retrieved 2008-06-04.
  9. ^ "Arthur B. McDonald, Ph.D". Franklin Laureate Database. Franklin Institute. Archived from the original on 2008-10-04. Retrieved 2008-06-04.
  10. ^ "The Nobel Prize in Physics 2015". Retrieved 2015-10-06.
  11. ^ "Past Winners – The Sudbury Neutrino Observatory". NSERC. 3 March 2008. Retrieved 2008-06-04.
  12. ^ SNOLAB User's Handbook Rev. 2 (PDF), 2006-06-26, p. 33, retrieved 2013-02-01

외부 링크