探索中微子

从神冈探测器和超级神冈探测器,到探索中微子和质子衰变的超级神冈探测器

1987 年 2 月 23 日,神冈探测器实现了史上首次成功观测超新星爆炸中微子的巨大成就。这千载难逢的机会由 160,000 光年外的超新星触发,由滨松光子学株式会社的 PMT 捕捉。我们的技术一直在不断发展,并且首先传递给目前经过升级的超级神冈探测器,以及后续的超级神冈探测器。

适用于超级神冈探测器的全新 20 英寸传感器

重要人物访谈

进军高能物理领域
袴田敏一
滨松光子学株式会社电子管事业部,在开发期间负责销售工作

所属机构、职衔及其他信息截至 2013 年。

什么是中微子?

组成物质的最小粒子称为基本粒子。就目前所知,基本粒子包括构成质子和中子的六种夸克,以及包括电子的六种轻子。

其中有三种轻子不带电荷,被称为中微子。中微子是在太空飞行的第二常见物质,常见度仅次于光。它们起源于太阳等星体中心的核聚变反应、重星死亡时的超新星爆炸、被宇宙射线轰击的地球大气、核反应堆和地球内部。它们能够穿过任何类型的物质。此时此刻,它们正在流过我们的身体。

原子和基本粒子

夸克和轻子

在 13 秒内检测到 11 颗中微子

从 1987 年 2 月 23 日 07:35:35 (UTC) 开始,在大约 13 秒的时间内,在大麦哲伦星云中的超新星爆炸产生的 1058 颗中微子中,有 11 颗被神冈探测器检测到了。这些中微子在 160,000 年前的超新星爆炸中释放。他们穿过地球的概率是:

      

$$\frac{13\ sec.}{5\cdot10^{12}sec.}=2.6\cdot\ 10^{-12}=\frac{2.6}{1\ trillion}$$

神冈探测器抓住了这个远道而来的机遇。东京大学教授小柴昌俊计划了神冈探测器并指导开展了实验,他于 2002 年因在观测宇宙中微子方面的成就而荣获诺贝尔物理学奖。

相关内容:

20 英寸 PMT 的开发

神冈探测器使用鱼眼镜头从底部拍摄
(图像由东京大学宇宙射线研究所神冈观测站友情提供)

超级神冈探测器超纯水罐装量:50,000 吨

超级神冈探测器概念图
(图像由东京大学宇宙射线研究所神冈观测站友情提供)

超级神冈探测器是一个将神冈探测器的能力提升 20 倍的项目,在距离神冈探测器约 300 m 的神冈矿山地下 1000 m 处建造而成。其巨大的水箱直径为 39.3 m,高度为 41.4 m,可容纳 50,000 吨水,容量约为神冈探测器的 16 倍。实验的目的是通过观测太阳中微子、大气中微子、人造中微子等来明确关于中微子的所有信息,并证明质子的寿命。

超级神冈探测器中 20 英寸直径 PMT 的数量:11,200

在超级神冈探测器的水箱中,大约有 11,200 个面朝内部的光电传感器,称为光电倍增管 (PMT)。这些传感器捕获水中带电粒子发出的切伦科夫辐射光。根据切伦科夫辐射光的量和捕获光的时间,确定带电粒子的能量、指向性等。所用的光电倍增管的光电表面直径约为 50 cm (20 英寸),是世界上最大的光电表面。

1998 年,超级神冈探测器发现了表明中微子具有质量的中微子振荡,2015 年梶田隆章教授凭借这一成就荣获诺贝尔物理学奖。

20 英寸直径 PMT

超级神冈探测器的水基切伦科夫检测器水箱容量:260,000 吨

超级神冈探测器图示

超级神冈探测器的原理图

基于多年来开发的高灵敏度中微子观测技术,超级神冈探测器在灵敏度方面实现了进一步提升。超级神冈探测器由一个圆柱形水箱构成,水深 71 米,直径 68 米。该水箱的有效探测质量约为超级神冈探测器的 10 倍。水箱壁安装了 20,000 个超高灵敏度光电传感器和 1,000 个复眼式光电传感器,用于探测水中产生的极其微弱的切伦科夫光。超级神冈探测器的巨大水箱仅需 10 年的时间即可获得相当于超级神冈探测器在 100 年的时间内收集的数据量,从而能够支持观测先前未能揭示的罕见现象和微小的 CP 破坏效应。

© Hyper-Kamiokande Collaboration

水基切伦科夫探测器中的光电传感器

每个光电传感器均可测量光“何时到达”以及“到达光量”。这种探测性能对水切伦科夫探测器的整体观测性能具有重大影响。例如,更精准的光到达时间测量 (光探测),有助于更准确地估算中微子相互作用或质子衰变的起点。此外,检测到的光越多,我们就能越精准地估算相互作用中产生的粒子的能量。这些性能提升同时有助于更有效排除被称为背景噪声的干扰事件。我们专为超级神冈探测器开发了一种新型 20 英寸光电倍增管,其性能是超级神冈探测器中的光电倍增管的两倍。


© Hyper-Kamiokande Collaboration

适用于超级神冈探测器的全新 20 英寸直径 PMT

▼超级神冈探测器的信息在此查看

 

https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/