Super-Kamiokande - Super-Kamiokande

Além do modelo padrão
Dados simulados do detector de partículas CMS do Large Hadron Collider representando um bóson de Higgs produzido pela colisão de prótons decaindo em jatos de hádrons e elétrons
Modelo Padrão
Provas
Teorias
Supersimetria
Gravidade quântica
Experimentos
v t e

Coordenadas : 36 ° 25′32,6 ″ N 137 ° 18′37,1 ″ E / 36,425722 ° N 137,310306 ° E / 36,425722; 137,310306

Super-Kamiokande (abreviação de Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment , também abreviado para Super-K ou SK ; Japonês :ス ー パ ー カ ミ ミ オ カ ン デ) é um observatório de neutrinos localizado sob o Monte Ikeno, perto da cidade de Hida , Prefeitura de Gifu , Japão . Ele está localizado a 1.000 m (3.300 pés) de profundidade na Mina Mozumi , na área de Kamioka, em Hida. O observatório foi projetado para detectar neutrinos de alta energia, pesquisar decaimento de prótons , estudar neutrinos solares e atmosféricos e vigiar supernovas na Via Láctea .

Ele consiste em um tanque cilíndrico de aço inoxidável com cerca de 40 m (131 pés) de altura e diâmetro, contendo 50.000 toneladas métricas (55.000 toneladas americanas) de água ultrapura . Montados em uma superestrutura interna estão cerca de 13.000 tubos fotomultiplicadores que detectam a luz da radiação Cherenkov . Uma interação do neutrino com os elétrons ou núcleos da água pode produzir um elétron ou pósitron que se move mais rápido do que a velocidade da luz na água , que é mais lenta do que a velocidade da luz no vácuo . Isso cria um cone de luz de radiação Cherenkov , o equivalente óptico a um estrondo sônico . A luz Cherenkov é registrada pelos tubos fotomultiplicadores. Usando as informações registradas por cada tubo, a direção e o sabor do neutrino que entra são determinados.

Descrição

O Super-K está localizado a 1.000 m (3.300 pés) de profundidade na Mina Mozumi na área Kamioka de Hida. Ele consiste em um tanque cilíndrico de aço inoxidável com 41,4 m (136 pés) de altura e 39,3 m (129 pés) de diâmetro, contendo 50.220 toneladas métricas (55.360 toneladas americanas) de água ultrapura . O volume do tanque é dividido por uma superestrutura de aço inoxidável em uma região de detector interno (ID), que tem 36,2 m (119 pés) de altura e 33,8 m (111 pés) de diâmetro, e detector externo (OD) que consiste no restante volume do tanque. Montados na superestrutura estão 11.146 tubos fotomultiplicadores (PMT) de 50 cm (20 pol.) De diâmetro voltados para o DI e 1.885 PMTs de 20 cm (8 pol.) Voltados para o OD. Há um Tyvek e uma barreira de folha preta fixada à superestrutura que separa opticamente o DI e o OD.

Uma interação do neutrino com os elétrons ou núcleos da água pode produzir uma partícula carregada que se move mais rápido do que a velocidade da luz na água , que é mais lenta do que a velocidade da luz no vácuo . Isso cria um cone de luz conhecido como radiação Cherenkov , que é o equivalente óptico a um estrondo sônico . A luz Cherenkov é projetada como um anel na parede do detector e registrada pelos PMTs. Usando as informações de tempo e carga registradas por cada PMT, o vértice de interação, a direção do anel e o sabor do neutrino de entrada são determinados. A partir da nitidez da borda do anel, o tipo de partícula pode ser inferido. O espalhamento múltiplo de elétrons é grande, então chuvas eletromagnéticas produzem anéis difusos. Os múons altamente relativísticos , em contraste, viajam quase em linha reta através do detector e produzem anéis com bordas agudas.

História

Um modelo de KamiokaNDE

A construção do predecessor do atual Observatório Kamioka , o Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos , da Universidade de Tóquio, começou em 1982 e foi concluída em abril de 1983. O objetivo do observatório era detectar se existe decaimento de prótons , uma das questões mais fundamentais de física de partículas elementares.

O detector, denominado KamiokaNDE para Kamioka Nucleon Decay Experiment, era um tanque de 16,0 m (52 ​​pés) de altura e 15,6 m (51,2 pés) de largura, contendo 3.058 toneladas métricas (3.400 US toneladas) de água pura e cerca de 1.000 tubos fotomultiplicadores ( PMTs) fixados em sua superfície interna. O detector foi atualizado, a partir de 1985, para permitir a observação de neutrinos solares. Como resultado, o detector (KamiokaNDE-II) tornou-se sensível o suficiente para detectar neutrinos de SN 1987A , uma supernova que foi observada na Grande Nuvem de Magalhães em fevereiro de 1987, e para observar neutrinos solares em 1988. A capacidade do experimento Kamiokande observar a direção dos elétrons produzidos nas interações dos neutrinos solares permitiu aos experimentadores demonstrar diretamente pela primeira vez que o Sol era uma fonte de neutrinos.

O projeto Super-Kamiokande foi aprovado pelo Ministério Japonês da Educação, Ciência, Esportes e Cultura em 1991 para um financiamento total de aproximadamente $ 100 M. A parte dos EUA da proposta, que era principalmente para construir o sistema OD, foi aprovada pelos EUA Departamento de Energia em 1993 por US $ 3 M. Além disso, os Estados Unidos também contribuíram com cerca de 2.000 PMTs de 20 cm reciclados do experimento IMB .

Apesar dos sucessos na astronomia de neutrinos e na astrofísica de neutrinos, Kamiokande não atingiu seu objetivo principal, a detecção do decaimento do próton. Maior sensibilidade também foi necessária para obter alta confiança estatística em seus resultados. Isso levou à construção do Super-Kamiokande, com quinze vezes mais água e dez vezes mais PMTs do que Kamiokande. Super-Kamiokande iniciou suas operações em 1996.

A Colaboração Super-Kamiokande anunciou a primeira evidência de oscilação de neutrino em 1998. Esta foi a primeira observação experimental que apoia a teoria de que o neutrino tem massa diferente de zero , uma possibilidade que os teóricos especularam durante anos. O Prêmio Nobel de Física de 2015 foi concedido ao pesquisador da Super-Kamiokande, Takaaki Kajita, ao lado de Arthur McDonald no Observatório de Neutrinos de Sudbury, por seu trabalho de confirmação da oscilação de neutrinos.

Em 12 de novembro de 2001, cerca de 6.600 dos tubos fotomultiplicadores (custando cerca de US $ 3.000 cada) no detector Super-Kamiokande implodiram , aparentemente em uma reação em cadeia ou falha em cascata , conforme a onda de choque da concussão de cada tubo implodindo rachou seus vizinhos. O detector foi parcialmente restaurado redistribuindo os tubos fotomultiplicadores que não implodiram e adicionando conchas de acrílico protetor que se espera evitarão a recorrência de outra reação em cadeia (Super-Kamiokande-II).

Em julho de 2005, começaram os preparativos para restaurar o detector à sua forma original, reinstalando cerca de 6.000 PMTs. O trabalho foi concluído em junho de 2006, quando o detector foi renomeado para Super-Kamiokande-III. Esta fase do experimento coletou dados de outubro de 2006 até agosto de 2008. Naquela época, atualizações significativas foram feitas na eletrônica. Após a atualização, a nova fase do experimento foi chamada de Super-Kamiokande-IV. SK-IV coletou dados em várias fontes naturais de neutrinos, bem como atuou como o detector distante para o experimento de oscilação de neutrino de linha de base longa de Tokai-to-Kamioka (T2K).

O SK-IV continuou até junho de 2018. Depois disso, o detector passou por uma reforma completa durante o outono de 2018. Em 29 de janeiro de 2019, o detector retomou a aquisição de dados.

Detector

O Super-Kamiokande (SK) é um detector Cherenkov usado para estudar neutrinos de diferentes fontes, incluindo o Sol, supernovas, a atmosfera e aceleradores. Também é usado para pesquisar decaimento de prótons. O experimento teve início em abril de 1996 e foi encerrado para manutenção em julho de 2001, período conhecido como "SK-I". Como ocorreu um acidente durante a manutenção, o experimento foi retomado em outubro de 2002 com apenas metade de seu número original de ID-PMTs. Para evitar mais acidentes, todos os ID-PMTs foram revestidos por plástico reforçado com fibra com janelas frontais de acrílico. Esta fase de outubro de 2002 a outro fechamento para uma reconstrução inteira em outubro de 2005 é chamada de "SK-II". Em julho de 2006, o experimento foi retomado com o número total de PMTs e interrompido em setembro de 2008 para atualizações eletrônicas. Este período ficou conhecido como "SK-III". O período após 2008 é conhecido como "SK-IV". As fases e suas principais características estão resumidas na tabela 1.

Uma seção transversal do detector Super-Kamiokande.

Atualização SK-IV

Nas fases anteriores, os ID-PMTs processavam sinais por módulos eletrônicos personalizados chamados de módulos de temporização analógica (ATMs). Conversores de carga para analógico (QAC) e conversores de tempo para analógico (TAC) estão contidos nesses módulos que tinham faixa dinâmica de 0 a 450 picocoulombs (pC) com resolução de 0,2 pC para carga e de −300 a 1000 ns com Resolução de 0,4 ns para o tempo. Havia dois pares de QAC / TAC para cada sinal de entrada PMT, isso evitou o tempo morto e permitiu a leitura de vários acertos sequenciais que podem surgir, por exemplo, de elétrons que são produtos de decaimento de múons parados.

O sistema SK foi atualizado em setembro de 2008 para manter a estabilidade na próxima década e melhorar o rendimento dos sistemas de aquisição de dados, eletrônicos baseados em QTC com Ethernet (QBEE). O QBEE fornece processamento de sinal de alta velocidade combinando componentes em pipeline. Esses componentes são um conversor de carga por tempo (QTC) personalizado recentemente desenvolvido na forma de um circuito integrado específico de aplicação (ASIC), um conversor de tempo para digital (TDC) multi-hit e uma matriz de portas programáveis ​​em campo (FPGA). Cada entrada QTC tem três faixas de ganho - "Pequeno", "Médio" e "Grande" - as resoluções para cada um são mostradas na Tabela.

Para cada faixa, a conversão de analógico para digital é realizada separadamente, mas a única faixa usada é aquela com a resolução mais alta que não está sendo saturada. A faixa dinâmica de carga geral do QTC é 0,2–2500 pC, cinco vezes maior do que o antigo. A resolução de carga e tempo do QBEE no nível de fotoelétron único é de 0,1 fotoelétrons e 0,3 ns, respectivamente, ambos são melhores do que a resolução intrínseca de 20 pol. PMTs usados ​​no SK. O QBEE atinge boa linearidade de carga em uma ampla faixa dinâmica. A linearidade de carga integrada da eletrônica é melhor do que 1%. Os limiares dos discriminadores no QTC são ajustados para -0,69 mV (equivalente a 0,25 fotoelétron, que é o mesmo que para SK-III). Este limite foi escolhido para replicar o comportamento do detector durante suas fases anteriores baseadas em ATM.

SuperKGd

Gadolínio será introduzido no tanque Super-Kamiokande no final de 2019 e começará a operação no final de 2019 ou início de 2020. Isso é conhecido como projeto SK-Gd (outros nomes incluem SuperKGd , SUPERK-GD e nomes semelhantes).

A fusão nuclear no Sol e em outras estrelas transforma prótons em nêutrons com a emissão de neutrinos. O decaimento beta na Terra e em supernovas transforma nêutrons em prótons com a emissão de anti-neutrinos. O Super-Kamiokande detecta elétrons liberados de uma molécula de água produzindo um flash de luz Cherenkov azul, e estes são produzidos tanto por neutrinos quanto por antineutrinos. Um caso mais raro é quando um antineutrino interage com um próton na água para produzir um nêutron e um pósitron.

O gadolínio tem afinidade por nêutrons e produz um flash brilhante de raios gama quando o absorve. Adicionar gadolínio ao Super-Kamiokande permite distinguir entre neutrinos e antineutrinos. Os antineutrinos produzem um duplo flash de luz com cerca de 30 microssegundos de intervalo, primeiro quando o neutrino atinge um próton e, segundo, quando o gadolínio absorve um nêutron. O brilho do primeiro flash permite aos físicos distinguir entre antineutrinos de baixa energia da Terra e antineutrinos de alta energia de supernovas. Além de observar neutrinos de supernovas distantes, o Super-Kamiokande será capaz de disparar um alarme para informar os astrônomos ao redor do mundo da presença de uma supernova na Via Láctea dentro de um segundo de sua ocorrência.

O maior desafio era se a água do detector poderia ser filtrada continuamente para remover impurezas sem remover o gadolínio ao mesmo tempo. Um protótipo de 200 toneladas chamado EGADS com sulfato de gadolínio adicionado foi instalado na mina Kamioka e operou por anos. Ele terminou a operação em 2018 e mostrou que o novo sistema de purificação de água removeria as impurezas enquanto mantinha a concentração de gadolínio estável. Ele também mostrou que o sulfato de gadolínio não prejudicaria significativamente a transparência da água, de outra forma ultrapura, ou causaria corrosão ou deposição no equipamento existente ou nas novas válvulas que posteriormente serão instaladas no Hyper-Kamiokande .

Tanque de água

O revestimento externo do tanque de água é um tanque cilíndrico de aço inoxidável com 39 m de diâmetro e 42 m de altura. O tanque é autoportante, com concreto preenchido contra as paredes de pedra ásperas para neutralizar a pressão da água quando o tanque é cheio. A capacidade do tanque ultrapassa 50 quilotoneladas de água.

PMTs e estrutura associada

A unidade básica para os ID PMTs é um "supermódulo", um quadro que suporta uma matriz 3 × 4 de PMTs. As estruturas do supermódulo têm 2,1 m de altura, 2,8 m de largura e 0,55 m de espessura. Esses quadros são conectados uns aos outros nas direções vertical e horizontal. Em seguida, toda a estrutura de suporte é conectada ao fundo do tanque e à estrutura superior. Além de servir como elementos estruturais rígidos, os supermódulos simplificaram a montagem inicial do ID. Cada supermódulo foi montado no chão do tanque e então içado para sua posição final. Assim, o ID é, na verdade, agrupado com supermódulos. Durante a instalação, ID PMTs foram pré-montados em unidades de três para fácil instalação. Cada supermódulo tem dois OD PMTs presos em sua parte traseira. A estrutura de suporte para os PMTs inferiores é fixada ao fundo do tanque de aço inoxidável por uma viga vertical por estrutura do supermódulo. A estrutura de suporte para a parte superior do tanque também é usada como estrutura de suporte para os PMTs superiores.

Vista esquemática de um PMT de 50 cm.

Os cabos de cada grupo de 3 PMTs são agrupados. Todos os cabos sobem pela superfície externa da estrutura de suporte do PMT, ou seja, no plano OD PMT, passam pelas portas de cabos na parte superior do tanque e são encaminhados para as cabanas de componentes eletrônicos.

A espessura do OD varia ligeiramente, mas é em média cerca de 2,6 m na parte superior e inferior e 2,7 m na parede do barril, dando ao OD uma massa total de 18 quilotons. OD PMTs foram distribuídos com 302 na camada superior, 308 na parte inferior e 1275 na parede do cilindro.

Para proteger contra a radiação de fundo de baixa energia dos produtos do decaimento do radônio no ar, o teto da cavidade e os túneis de acesso foram selados com um revestimento chamado Mineguard. Mineguard é uma membrana de poliuretano aplicada por spray desenvolvida para uso como sistema de suporte de rocha e barreira de gás radônio na indústria de mineração.

O campo geomagnético médio é de cerca de 450 mG e é inclinado em cerca de 45 ° em relação ao horizonte no local do detector. Isso representa um problema para os PMTs grandes e muito sensíveis, que preferem um campo ambiente muito mais baixo. A força e a direção uniforme do campo geomagnético podem influenciar sistematicamente as trajetórias e o tempo dos fotoelétrons nos PMTs. Para neutralizar isso, 26 conjuntos de bobinas Helmholtz horizontais e verticais estão dispostos em torno das superfícies internas do tanque. Com eles em operação, o campo médio no detector é reduzido para cerca de 50 mG. O campo magnético em vários locais PMT foi medido antes de o tanque ser enchido com água.

Um volume fiducial padrão de aproximadamente 22,5 quilotoneladas é definido como a região dentro de uma superfície desenhada a 2,00 m da parede ID para minimizar a resposta anômala causada pela radioatividade natural na rocha circundante.

Sistema de monitoramento

Sistema de monitoramento online

Um computador monitor on-line localizado na sala de controle lê os dados do computador host DAQ por meio de um link FDDI. Ele fornece aos operadores de turno uma ferramenta flexível para selecionar recursos de exibição de eventos, faz histogramas on-line e de histórico recente para monitorar o desempenho do detector e executa uma variedade de tarefas adicionais necessárias para monitorar o status com eficiência e diagnosticar problemas no detector e DAQ. Os eventos no fluxo de dados podem ser eliminados e ferramentas de análise elementares podem ser aplicadas para verificar a qualidade dos dados durante as calibrações ou após alterações no hardware ou software online.

Monitor de supernova em tempo real

Para detectar e identificar tais explosões da maneira mais eficiente e rápida possível, o Super-Kamiokande está equipado com um sistema de monitoramento de supernova online. Cerca de 10.000 eventos totais são esperados em Super-Kamiokande para uma explosão de supernova no centro de nossa Galáxia. Super-Kamiokande pode medir um burst sem tempo morto, até 30.000 eventos no primeiro segundo de um burst. Cálculos teóricos de explosões de supernovas sugerem que os neutrinos são emitidos ao longo de uma escala de tempo total de dezenas de segundos, com cerca de metade deles emitidos durante os primeiros um ou dois segundos. O Super-K irá procurar por grupos de eventos em janelas de tempo especificadas de 0,5, 2 e 10 s. Os dados são transmitidos para o processo de análise SN-watch em tempo real a cada 2 minutos e a análise é concluída normalmente em 1 minuto. Quando candidatos a eventos de supernova (SN) são encontrados, é calculado se a multiplicidade de eventos for maior que 16, onde é definido como a distância espacial média entre eventos, ou seja, ${\ displaystyle {R _ {\ text {mean}}}}$${\ displaystyle {R _ {\ text {mean}}}}$

${\ displaystyle {R _ {\ text {mean}}} = {\ frac {\ sum _ {i = 1} ^ {{N _ {\ text {multi}}} - 1} \ sum _ {j = i + 1 } ^ {N _ {\ text {multi}}} | {r _ {\ text {i}}} - {r _ {\ text {j}}} |} {{N _ {\ text {multi}}} {C_ { \ text {2}}}}}}$

Neutrinos de supernovas interagem com prótons livres, produzindo pósitrons que são distribuídos tão uniformemente no detector que para eventos SN deve ser significativamente maior do que para aglomerados espaciais comuns de eventos. No detector Super-Kamiokande, Rmean para eventos Monte Carlo uniformemente distribuídos mostra que não existe cauda abaixo de -1000 cm. Para a classe de burst de "alarme", os eventos devem ter ⩾900 cm para 25⩽ ⩽40 ou ⩾750 cm para > 40. Esses limites foram determinados por extrapolação dos dados SN1987A. O sistema executará processos especiais para verificar múons de fragmentação quando os candidatos de estouro atenderem aos critérios de "alarme" e tomará uma decisão principal para o processo posterior. Se o candidato a burst passar nessas verificações, os dados serão reanalisados ​​usando um processo offline e uma decisão final será feita em algumas horas. Durante a corrida do Super-Kamiokande I, isso nunca aconteceu. Uma das capacidades importantes para [Super-Kamiokande] é reconstruir a direção da supernova. Por espalhamento de elétrons de neutrino , um total de 100-150 eventos são esperados no caso de uma supernova no centro de nossa Galáxia. A direção da supernova pode ser medida com resolução angular ${\ displaystyle {R _ {\ text {mean}}}}$${\ displaystyle {R _ {\ text {mean}}}}$${\ displaystyle {R _ {\ text {mean}}}}$${\ displaystyle {N _ {\ text {multi}}}}$${\ displaystyle {R _ {\ text {mean}}}}$${\ displaystyle {N _ {\ text {multi}}}}$${\ displaystyle \ nu _ {\ text {x}} + e ^ {-} \ to \ nu _ {\ text {x}} + e ^ {-}}$

${\ displaystyle \ delta \ theta \ sim {30 ^ {\ circ} \ over {\ sqrt {N}}}}$

onde N é o número de eventos produzidos pelo espalhamento ν – e. A resolução angular, portanto, pode ser tão boa quanto δθ∼3 ° para uma supernova no centro de nossa galáxia. Nesse caso, não apenas o perfil de tempo e o espectro de energia de uma explosão de neutrino, mas também a informação sobre a direção da supernova podem ser fornecidos.

Monitor de controle lento e monitor de processo offline

Existe um processo denominado monitor de "controle lento", como parte do sistema de monitoramento online, que observa o status dos sistemas AT, as temperaturas das caixas eletrônicas e o status das bobinas de compensação usadas para cancelar o campo geomagnético. Quando qualquer desvio das normas for detectado, ele alertará os físicos para solicitar investigação, tomar as medidas adequadas ou notificar os especialistas.

Para monitorar e controlar os processos off-line que analisam e transferem dados, um conjunto de softwares foi desenvolvido de forma sofisticada. Este monitor permite que físicos de turno não especialistas identifiquem e reparem problemas comuns para minimizar o tempo de inatividade, e o pacote de software foi uma contribuição significativa para o bom funcionamento do experimento e sua alta eficiência geral de vida útil para obtenção de dados.

Pesquisar

Neutrino solar

A energia do Sol vem da fusão nuclear em seu núcleo, onde um átomo de hélio e um neutrino de elétron são gerados por 4 prótons. Esses neutrinos emitidos por essa reação são chamados de neutrinos solares. Os fótons, criados pela fusão nuclear no centro do Sol, levam milhões de anos para chegar à superfície; por outro lado, os neutrinos solares chegam à Terra em oito minutos devido à falta de interação com a matéria. Conseqüentemente, os neutrinos solares possibilitam que observemos o Sol interno em "tempo real" que leva milhões de anos para a luz visível.

Em 1999, o Super-Kamiokande detectou fortes evidências de oscilação de neutrinos que explicaram com sucesso o problema do neutrino solar . O Sol e cerca de 80% das estrelas visíveis produzem sua energia pela conversão de hidrogênio em hélio via

${\ displaystyle 4p \ to {} ^ {4} \! He + 2e ^ {+} + 2 \ nu _ {e} +26,73}$ MeV

Consequentemente, as estrelas são uma fonte de neutrinos, incluindo o nosso sol . Esses neutrinos vêm principalmente pela cadeia pp em massas mais baixas e, para estrelas mais frias, principalmente por meio do ciclo CNO de massas mais pesadas.

O quadro da esquerda mostra os três ciclos principais que compreendem a cadeia pp (pp I, pp II e pp III) e as fontes de neutrinos associadas a esses ciclos. O quadro direito mostra o ciclo CNO-I.

No início da década de 1990, particularmente com as incertezas que acompanharam os resultados iniciais dos experimentos Kamioka II e Ga, nenhum experimento individual exigia uma solução não astrofísica para o problema do neutrino solar. Mas, em conjunto, os experimentos de Cl, Kamioka II e Ga indicaram um padrão de fluxos de neutrinos que não era compatível com qualquer ajuste do SSM. Isso, por sua vez, ajudou a motivar uma nova geração de detectores ativos espetacularmente capazes. Esses experimentos são Super-Kamiokande, Sudbury Neutrino Observatory (SNO) e Borexino . Super-Kamiokande foi capaz de detectar eventos de espalhamento elástico (ES)

${\ displaystyle \ nu _ {x} + e ^ {-} \ to \ nu _ {x} + e ^ {-}}$

que, devido à contribuição da corrente carregada para o espalhamento, tem uma sensibilidade relativa a se neutrinos de sabor pesado de ∼7: 1. Como a direção do elétron de recuo é restrita a ser muito para frente, a direção dos neutrinos é mantida na direção dos elétrons de recuo. Aqui, é fornecido onde está o ângulo entre a direção dos elétrons de recuo e a posição do Sol. Isso mostra que o fluxo de neutrinos solares pode ser calculado como . Comparando com o SSM, a proporção é . O resultado indica claramente o déficit de neutrinos solares. ${\ displaystyle \ nu _ {e}}$${\ displaystyle \ nu _ {e}}$${\ displaystyle \ cos \ theta _ {Sun}}$${\ displaystyle \ theta _ {Sun}}$${\ displaystyle {} ^ {8} \! B}$${\ displaystyle 2,40 \ pm 0,03 (stat.) {} _ {- 0,07} ^ {+ 0,08} \! (sys.) \ vezes 10 ^ {6} cm ^ {- 2} s ^ {- 1}}$${\ displaystyle {Data \ over SSM_ {BP98}} = 0,465 \ pm 0,005 (estat.) {} _ {- 0,013} ^ {+ 0,015} \! (sys.)}$

${\ displaystyle \ cos \ theta _ {\ text {sun}}}$distribuição acima de 5,5 MeV. A linha sólida indica o melhor ajuste considerando o fluxo como um parâmetro livre.

Neutrino atmosférico

Neutrinos atmosféricos são raios cósmicos secundários produzidos pelo decaimento de partículas resultantes de interações de raios cósmicos primários (principalmente prótons ) com a atmosfera terrestre . Os eventos de neutrinos atmosféricos observados se enquadram em quatro categorias. Os eventos totalmente contidos (FC) têm todas as suas trilhas no detector interno, enquanto os eventos parcialmente contidos (PC) têm trilhas de escape do detector interno. Múons que vão para cima (UTM) são produzidos na rocha abaixo do detector e passam pelo detector interno. Múons de parada ascendente (USM) também são produzidos na rocha abaixo do detector, mas param no detector interno.

O número de neutrinos observados é previsto uniformemente, independentemente do ângulo do zênite. No entanto, Super-Kamiokande descobriu que o número de neutrinos múon ascendentes (gerados no outro lado da Terra) é metade do número de neutrinos múon descendentes em 1998. Isso pode ser explicado pelos neutrinos mudando ou oscilando em algum outro neutrinos que não são detectados. Isso é chamado de oscilação de neutrino ; esta descoberta indica a massa finita dos neutrinos e sugere uma extensão do modelo padrão. Os neutrinos oscilam em três sabores, e todos os neutrinos têm sua massa de repouso. Análises posteriores em 2004 sugeriram uma dependência sinusoidal da taxa de eventos em função do "Comprimento / Energia", o que confirmou as oscilações dos neutrinos.

Experimento K2K

O experimento K2K foi um experimento de neutrino de junho de 1999 a novembro de 2004. Este experimento foi projetado para verificar as oscilações observadas por Super-Kamiokande através de neutrinos de múon . Ele fornece a primeira medição positiva das oscilações de neutrino em condições em que a fonte e o detector estão sob controle. O detector Super-Kamiokande desempenha um papel importante no experimento como detector distante. Experimento posterior O experimento T2K continuou enquanto a segunda geração seguia para o experimento K2K .

Experiência T2K

Passagem do feixe de neutrino do múon de J-PARC para Super K

O experimento T2K (Tokai to Kamioka) é um experimento de neutrino com a colaboração de vários países, incluindo Japão , Estados Unidos e outros. O objetivo do T2K é obter uma compreensão mais profunda dos parâmetros de oscilação dos neutrinos . T2K fez uma busca por oscilações de neutrinos de múon em neutrinos de elétron, e anunciou as primeiras indicações experimentais para eles em junho de 2011. O detector Super-Kamiokande atua como o "detector distante". O detector Super-K registrará a radiação Cherenkov de múons e elétrons criados por interações entre neutrinos de alta energia e água.

Uma exibição de evento quase ao vivo do Super-Kamiokande Realtime Monitor.

Decaimento de prótons

O próton é considerado absolutamente estável no modelo padrão . No entanto, as Teorias da Grande Unificação (GUTs) prevêem que os prótons podem decair em partículas carregadas de energia mais leves, como elétrons, múons, píons ou outros que podem ser observados. Kamiokande ajuda a descartar algumas dessas teorias. Super-Kamiokande é atualmente o maior detector para observação do decaimento de prótons.

Purificação

Sistema de purificação de água

Esquema do sistema de purificação de água.

Os 50 quilotons de água pura são continuamente reprocessados ​​a uma taxa de cerca de 30 toneladas / hora em um sistema fechado desde o início de 2002. Agora, a água bruta da mina é reciclada através da primeira etapa (filtros de partículas e RO) por algum tempo antes de outros processos, que envolvem consumíveis caros, são impostos. Inicialmente, a água do tanque Super-Kamiokande é passada por filtros de malha nominal de 1 μm para remover poeira e partículas, o que reduz a transparência da água para fótons Cherenkov e fornece uma possível fonte de radônio dentro do detector Super-Kamiokande. Um trocador de calor é usado para resfriar a água a fim de reduzir o nível de ruído escuro do PMT e também suprimir o crescimento de bactérias . As bactérias sobreviventes são mortas por um estágio de esterilizador UV. Um polidor de cartucho (CP) elimina íons pesados, o que também reduz a transparência da água e inclui espécies radioativas. O módulo CP aumenta a resistividade típica da água em recirculação de 11 MΩ cm para 18,24 MΩ cm, aproximando-se do limite químico. Originalmente, um trocador de íons (IE) foi incluído no sistema, mas foi removido quando se descobriu que a resina IE era uma fonte significativa de radônio. A etapa de RO que remove partículas adicionais e a introdução de ar com Rn reduzido na água que aumenta a eficiência de remoção de radônio no estágio de desgaseificação a vácuo (VD) que se segue foram instaladas em 1999. Depois disso, um VD remove gases dissolvidos na água . Esses gases são dissolvidos em água com uma fonte de eventos graves para neutrinos solares na faixa de energia MeV e o oxigênio dissolvido estimula o crescimento de bactérias. A eficiência de remoção é de cerca de 96%. Em seguida, o ultrafiltro (UF) é introduzido para remover partículas cujo tamanho mínimo corresponde a um peso molecular de aproximadamente 10.000 (ou cerca de 10 nm de diâmetro) graças aos filtros de membrana de fibra oca. Finalmente, um desgaseificador de membrana (MD) remove o radônio dissolvido em água, e a eficiência de remoção medida para o radônio é de cerca de 83%. A concentração de gases radônio é miniaturizada por detectores em tempo real. Em junho de 2001, as concentrações típicas de radônio na água que entrava no sistema de purificação do tanque Super-Kamiokande eram inferiores a 2 mBq m- ³ , e na produção de água pelo sistema, 0,4 ± 0,2 mBq m- ³ .

Sistema de purificação de ar

Esquema do sistema de purificação de ar.

O ar purificado é fornecido no intervalo entre a superfície da água e o topo do tanque Super-Kamiokande. O sistema de purificação de ar contém três compressores, um tanque tampão, secadores, filtros e filtros de carvão ativado . É utilizado um total de 8 m ³ de carvão ativado. Os últimos 50 L de carvão são resfriados a −40 ° C para aumentar a eficiência de remoção do radônio. As taxas de fluxo típicas, ponto de orvalho e concentração de radônio residual são 18 m ³ / h, −65 ° C (@ + 1 kg / cm ² ) e alguns mBq m ⁻³ , respectivamente. A concentração típica de radônio no ar da cúpula é medida em 40 Bq m- ³ . Os níveis de radônio no ar do túnel da mina, perto da cúpula da cavidade do tanque, normalmente atingem 2.000-3.000 Bq m- ³ durante a estação quente, de maio a outubro, enquanto que de novembro a abril o nível de radônio é de aproximadamente 100-300 Bq m- ³ . Essa variação se deve ao efeito chaminé no padrão de ventilação do sistema de túneis da mina; nas estações frias, o ar fresco flui para a entrada do túnel Atotsu que é um caminho relativamente curto através da rocha exposta antes de chegar à área experimental, enquanto no verão, o ar flui para fora do túnel, puxando o ar rico em radônio das profundezas da mina, passando pelo área experimental.

A fim de manter os níveis de radônio na área do domo e no sistema de purificação de água abaixo de 100 Bq m- ³ , o ar fresco é continuamente bombeado a aproximadamente 10 m ³ / min de fora da mina, o que gera uma leve sobrepressão no experimental Super-Kamiokande área para minimizar a entrada de ar ambiente da mina. Uma "Cabana Radon" (Cabana Rn) foi construída perto da entrada do túnel Atotsu para abrigar equipamentos para o sistema de ar de cúpula: uma bomba de ar de 40 hp com capacidade de bomba de 10 m ^ 3 min ^-1 / 15 PSI, desumidificador de ar, tanques de filtro de carbono e controle eletrônico. No outono de 1997, um tubo de admissão de ar estendido foi instalado em um local aproximadamente 25 m acima da entrada do túnel de Atotsu. Este nível baixo satisfaz os objetivos de qualidade do ar, de forma que as operações de regeneração do filtro de carbono não seriam mais necessárias.

Processamento de dados

O processamento de dados offline é produzido em Kamioka e nos Estados Unidos.

Em Kamioka

O sistema de processamento de dados offline está localizado em Kenkyuto e está conectado ao detector Super-Kamiokande com link de fibra óptica FDDI de 4 km. O fluxo de dados do sistema online é de 450 kbytes s ⁻¹ em média, correspondendo a 40 Gbytes por dia ⁻¹ ou 14 Tbytes por ano ⁻¹ . As fitas magnéticas são usadas no sistema off-line para armazenar dados e a maior parte da análise é realizada aqui. O sistema de processamento offline é projetado independente de plataforma porque diferentes arquiteturas de computador são usadas para análise de dados. Por isso, as estruturas de dados são baseadas no sistema bancário ZEBRA desenvolvido no CERN , bem como no sistema de câmbio ZEBRA.

Os dados do evento do sistema DAQ on-line Super-Kamiokande contém basicamente uma lista de números de PMT, TDC e contagens de ADC, carimbos de tempo GPS e outros dados de manutenção. Para a análise de neutrinos solares, reduzir o limite de energia é uma meta constante, portanto, é um esforço contínuo para melhorar a eficiência dos algoritmos de redução; entretanto, as mudanças nas calibrações ou métodos de redução requerem o reprocessamento dos dados anteriores. Normalmente, 10 Tbytes de dados brutos são processados ​​a cada mês para que uma grande quantidade de energia da CPU e acesso de E / S de alta velocidade aos dados brutos. Além disso, o processamento extensivo de simulação de Monte Carlo também é necessário.

O sistema offline foi projetado para atender à demanda de tudo isso: armazenamento em fita de um grande banco de dados (14 Tbytes ano-1), processamento semi-real estável, reprocessamento quase contínuo e simulação de Monte Carlo. O sistema de computador consiste em 3 subsistemas principais: o servidor de dados, o conjunto de CPU e a rede no final da Execução I.

Em nós

Um sistema dedicado ao processamento off-site off-site de dados foi instalado na Stony Brook University em Stony Brook, NY, para processar dados brutos enviados de Kamioka. A maioria dos dados brutos reformatados é copiada das instalações do sistema em Kamioka. Em Stony Brook, um sistema foi configurado para análise e processamento posterior. Em Stony Brook, os dados brutos foram processados ​​com uma unidade DLT de várias fitas. Os processos de redução de dados do primeiro estágio foram feitos para a análise de alta energia e para a análise de baixa energia. A redução de dados para a análise de alta energia foi principalmente para eventos de neutrinos atmosféricos e busca de decaimento de prótons, enquanto a análise de baixa energia foi principalmente para eventos de neutrinos solares. Os dados reduzidos para a análise de alta energia foram filtrados posteriormente por outros processos de redução e os dados resultantes foram armazenados em discos. Os dados reduzidos para a baixa energia foram armazenados em fitas DLT e enviados para a Universidade da Califórnia , Irvine, para processamento posterior.

Este sistema de análise de compensação continuou por 3 anos até que suas cadeias de análise produzissem resultados equivalentes. Assim, a fim de limitar a mão de obra, as colaborações foram concentradas em uma única análise combinada

Resultados

Em 1998, Super-K encontrou a primeira evidência forte de oscilação de neutrino a partir da observação de neutrinos do múon transformados em neutrinos tau.

SK estabeleceu limites para a vida útil do próton e outros decaimentos raros e propriedades do neutrino. SK estabeleceu um limite inferior em prótons decaindo para kaons de 5,9 × 10 ³³ anos

Na cultura popular

Super-Kamiokande é o tema da fotografia de 2007 de Andreas Gursky , Kamiokande , e foi apresentado em um episódio de Cosmos: A Spacetime Odyssey .

Em setembro de 2018, o detector foi drenado para manutenção, dando a uma equipe de repórteres da Australian Broadcasting Corporation a oportunidade de obter vídeo de resolução 4K de dentro do tanque de detecção.

Veja também

• Hyper Kamiokande
• Masatoshi Koshiba
• Yoji Totsuka
• Takaaki Kajita
• Supernova 1987A
• Problema de neutrino solar
• Observatório Sudbury Neutrino
• Experimento K2K
• Experimento T2K

Referências

links externos

• A página inicial do Super-Kamiokande