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超級(jí)神岡探測器（1983年在日本建造的探測器）

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超級(jí)神岡探測器

1983年在日本建造的探測器

超級(jí)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(jí)神岡中微子探測實(shí)驗(yàn)（Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment），是日本東京大學(xué)在岐阜縣飛驒市神岡町的茂住礦山一個(gè)深達(dá)1000米的廢棄砷礦中建造的大型中微子探測器。其目標(biāo)是探測質(zhì)子衰變以及被設(shè)計(jì)來尋找太陽、地球大氣的中微子，并觀測銀河系內(nèi)超新星爆發(fā)。

基本信息

中文名	超級(jí)神岡探測器
外文名	Super-Kamiokande
所屬國家	日本
發(fā)射時(shí)間	1983年
所屬地區(qū)	日本岐阜縣
屬性	中微子探測器
用途	探測中微子在水中的切倫科夫輻射

收起

描述

超級(jí)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?yàn)橐韪羝渌挠钪嫔渚€訊號(hào)。該設(shè)施主要部分是一個(gè)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(shí)間。水箱容量被分成由一個(gè)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(gè)光電倍增管，用于探測高速中微子在水中通過時(shí)產(chǎn)生的切連科夫輻射。

探測器

超級(jí)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(gè)探測器，包括太陽，超新星，大氣，和加速器的質(zhì)子衰變。實(shí)驗(yàn)開始于1996年4月，并于2001年7月停車檢修，這一段時(shí)期被稱為“SK-I”階段。由于在維修過程中發(fā)生意外事故，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(gè)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(shí)驗(yàn)恢復(fù)了光電倍增管的完整數(shù)目，并在2008年9月停止實(shí)驗(yàn)而做電子設(shè)備的升級(jí)。這一時(shí)期被稱為“SK-III”階段。2008年后的時(shí)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(shí)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(yùn)行中)
光電倍增管數(shù)量	ID	11146 (40%)	5182 (19%)	11129 (40%)	11129 (40%)
	OD	1885

展開表格

歷史

這臺(tái)探測器最初名為“神岡核子衰變實(shí)驗(yàn)”（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(gè)基本問題——質(zhì)子衰變。1985年，探測器開始進(jìn)行擴(kuò)建，名為神岡核子衰變實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(tái)耗資一億美元建造了更大的探測器，名為超級(jí)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(jìn)。超級(jí)神岡探測器于1996年開始觀測，其后自1998年起，超級(jí)神岡探測器開始發(fā)布探測結(jié)果。1998年，超級(jí)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(gè)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(jí)神岡探測器證實(shí)反應(yīng)堆中產(chǎn)生的中微子發(fā)生了振蕩。這個(gè)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(jiǎng)。

2001年11月12日，超級(jí)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(hù)殼，防止其進(jìn)一步損壞。2005年7月到2006年6月，超級(jí)神岡探測器重新安裝了6000只光電倍增管。

2020年1月2日，美國《科學(xué)》雜志刊文展望了2020年可能成為頭條的十大科學(xué)新聞，超級(jí)神岡探測器入榜。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

超級(jí)神岡探測器制造了數(shù)個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)等級(jí)的成果，例如小柴昌?。?002年）以及梶田隆章（2015年）。戶冢洋二的貢獻(xiàn)和梶田隆章相仿，但他在2008年去世，而諾貝爾獎(jiǎng)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(jí)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(jiǎng)...（中略）...我認(rèn)為我的‘老師’的功勞更為重要。”韓國《朝鮮日報(bào)》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(gè)月，必能得獎(jiǎng)。

大眾文化中的超級(jí)神岡探測器

超級(jí)神岡探測器是德國攝影家安德列斯?古爾斯基于2007年的作品《Kamiokande》之主題。該探測器亦成為美國科學(xué)紀(jì)錄片“《宇宙時(shí)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(fā)SN1987A出現(xiàn)在大麥哲倫星系。在此次事件中，超級(jí)神岡探測器第一次偵測到超新星中微子。超級(jí)神岡探測器對(duì)這些中微子偵測到了11場事件。這次觀測證實(shí)了超新星爆發(fā)理論的正確性，并開啟了中微子天文學(xué)。

1998年，超級(jí)神岡探測器首次發(fā)現(xiàn)了中微子震蕩的強(qiáng)烈證據(jù)，其觀測到了μ子中微子轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>τ子中微子的現(xiàn)象，這顯示中微子具有質(zhì)量。梶田隆章在該年的“中微子物理學(xué)?宇宙物理學(xué)國際會(huì)議”上發(fā)表該結(jié)果，并因此研究獲得2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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(jí)超算入榜[引用日期2020-01-03]

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