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超級神岡探測器
1983年在日本建造的探測器
描述
超級神岡探測器位于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(shè)施主要部分是一個高41.4米、直徑39.3米的不銹鋼圓柱形的容器，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）的不銹鋼上層結(jié)構(gòu)的內(nèi)部探測器（ID）區(qū)，和包括其余結(jié)構(gòu)的外部探測器（OD）區(qū)。容器的內(nèi)壁上安裝有11200個光電倍增管，用于探測高速中微子在水中通過時產(chǎn)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(zhì)子衰變。實驗開始于1996年4月，并于2001年7月停車檢修，這一段時期被稱為“SK-I”階段。由于在維修過程中發(fā)生意外事故，實驗在2002年10月繼續(xù)，只有原來一半數(shù)量的光電倍增管。為了防止再發(fā)生意外事故，所有的光電倍增管都被覆蓋的纖維增強塑料（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(guān)閉的階段，被稱為“SK-II”階段。2006年7月，實驗恢復(fù)了光電倍增管的完整數(shù)目，并在2008年9月停止實驗而做電子設(shè)備的升級。這一時期被稱為“SK-III”階段。2008年后的時期被稱為“SK-IV”階段。所有階段和它們的主要特性匯總于表1。
表1 | |||||
階段 | SK-I | SK-II | SK-III | SK-IV | |
時期 | 開始 | 1996年4月 | 2002年10月 | 2006年7月 | 2008年9月 |
結(jié)束 | 2001年7月 | 2005年10月 | 2008年9月 | (運行中) | |
光電倍增管數(shù)量 | ID | 11146 (40%) | 5182 (19%) | 11129 (40%) | 11129 (40%) |
OD | 1885 | ||||
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歷史
這臺探測器最初名為“神岡核子衰變實驗”（KamiokaNDE），于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只光電倍增管，目的是探測粒子物理學(xué)中的一個基本問題——質(zhì)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(fā)現(xiàn)了大麥哲倫云中超新星1987A爆發(fā)時產(chǎn)生的中微子，這是人類首次探測到太陽系以外的天體產(chǎn)生的中微子。
盡管神岡探測器最初探測質(zhì)子衰變的目標(biāo)始終沒有實現(xiàn)，但卻可以接收來自太陽的中微子，并且測量其入射的方向，研究太陽中微子缺失問題。20世紀(jì)90年代，神岡觀測臺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(zhì)增加到了 50000 噸高度純凈的水。一句話總結(jié)，探測器在各方面都有了長足的改進。超級神岡探測器于1996年開始觀測，其后自1998年起，超級神岡探測器開始發(fā)布探測結(jié)果。1998年，超級神岡探測器的領(lǐng)導(dǎo)者、日本科學(xué)家小柴昌俊發(fā)表了測量結(jié)果，給出中微子振蕩的首個確切證據(jù)，認(rèn)為中微子在三種不同“味”之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，這也表明中微子是有質(zhì)量的，而不是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言的零質(zhì)量粒子。2002年，超級神岡探測器證實反應(yīng)堆中產(chǎn)生的中微子發(fā)生了振蕩。這個探測結(jié)果在中微子天文學(xué)和粒子物理學(xué)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(xué)獎。
2001年11月12日，超級神岡探測器數(shù)千只光電倍增管由于連鎖反應(yīng)突然爆裂，隨后工作人員重新排列了未損壞的光電倍增管，使其恢復(fù)了一部分工作能力，并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只光電倍增管。
諾貝爾物理學(xué)獎
超級神岡探測器制造了數(shù)個諾貝爾物理學(xué)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(rèn)已經(jīng)逝世的人。小柴、戶冢、梶田三人為師徒關(guān)系，并為超級神岡探測器之共同創(chuàng)建者。
2015年10月6日，梶田隆章表示：“雖然結(jié)果上是我獲得了諾貝爾獎...（中略）...我認(rèn)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(rèn)為是“小柴最優(yōu)秀的學(xué)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
成果
參考資料
[1]
《科學(xué)》展望2020年十大科學(xué)頭條：中國建造E級超算入榜[引用日期2020-01-03]
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