坐标:46°29′26″N 80°59′39″W / 46.49056°N 80.99417°W / 46.49056; -80.99417萨德伯里中微子观测站英语:Sudbury Neutrino Observatory,缩写为SNO)是位于加拿大安大略省萨德伯里2100米深的镍矿中的中微子观测站。因为对于中微子振荡的发现做出重大贡献,SNO实验主任阿瑟·麦克唐纳荣获2015年诺贝尔物理学奖。萨德伯里中微子观测站的建立是为了要研究太阳中微子问题。观测站的中微子探测器主要是用来探测太阳中微子,通过它们与重水的相互作用。探测器从1999年5月开始启用,直到2006年11月为止。虽然探测器已停止运作,在未来数年中,SNO团队仍会继续分析在那段时期获得的数据。现今(2015年),已被扩充的地下实验室仍旧继续被用来进行其它SNOLAB实验。SNO的设备正在整修,准备未来用于SNO+英语SNO+实验。

实验动机

早于1960年代,就已有实验获得关于太阳中微子抵达地球的测量数据。在SNO实验之前,所有实验都只观测到大约为标准太阳模型所预测的中微子数量的1/3至1/2。这效应被称为太阳中微子问题。几十年来,很多理论被提出来解释这效应。其中一个是中微子振荡假说。

1984年,尔湾加州大学物理学教授赫伯特·陈英语Herbert Chen最先指出,重水是制作太阳中微子探测器的优良材料。与其它先前探测器不同,使用重水为材料的探测器能够感受到两种反应,一种会感受到所有风味的中微子,另一种只会感受到电中微子,因此,这探测器可以直接测量中微子振荡。萨德伯里的科瑞顿矿井英语Creighton Mine是全世界最深的矿之一,背景辐射非常低,因此很快地就被确认为安置赫伯特·陈所提议的实验的理想地点。同年,SNO团队举行第一次会议。1990年,实验计划正式被批准。

在这实验里,当中微子与重水相互作用时,会出现相对论性电子以高速度移动经过重水,因切连科夫效应而产生蓝色光锥。中微子探测器可以直接探测到这蓝色光波。

探测器细节

SNO探测器的主要部分是一个直径12米的球形容器,里面装有1000吨重水,容器壁用丙烯酸脂制成,厚度为5厘米,在容器的外面有一个直径17米的测地球英语geodesic sphere,在测地球里面安装了9600个光电倍增管,用于探测切连科夫辐射。为了给予浮力与辐射屏蔽,整个探测器浸泡在直径22米34米高的装满普通水的圆柱形腔中,在全世界里,这么深的地下腔之中,这是最大的地下腔,为了预防岩爆英语rock burst,需要使用高功能锚杆支护英语rock bolt技术。安装在安大略省萨德伯里的科瑞顿矿井里,深度达到2100米,这样做的目的是利用地层对宇宙线进行屏蔽,以减轻干扰。

SNO的控制室与设备室都维持在洁净室状况。整个设施大部分维持在级别 3000标准的洁净度,即尺寸不小于1 μm的粒子少于3000个每1 m空气;载有探测器的圆柱形腔维持在级别 1000标准的洁净度。

电性流相互作用

在电性流相互作用里,中微子将重氢里的中子变为质子,并且释出一个电子:

ν e + d p + p + e {\displaystyle \nu _{e}+d\to p+p+e}

其中, ν e {\displaystyle \nu _{e}} 是电中微子, d {\displaystyle d} 是重氢, p {\displaystyle p} 是质子, e {\displaystyle e} 是电子。

太阳中微子的能量小于μ子与τ子的质量,因此只有电中微子能够参与反应。释出的电子会带走中微子的大部分能量,由于这能量相当强大,电子会以相对论性速度被发射出来。由于这速度大于光子移动于水中的速度,因此会产生切连科夫辐射,可以被光电倍增管探测到,而辐照度则与入射中微子的能量呈正比。释出的电子朝着所有方向发射,但它们稍微比较青睐朝着中微子源的方向发射。标准太阳模型预言,SNO实验每日大约会发生30个电性流事件。

中性流相互作用

在中性流相互作用里,中微子离解了重氢,将其分裂成中子、质子:

ν x + d p + n + ν x {\displaystyle \nu _{x}+d\to p+n+\nu _{x}}

其中, ν x {\displaystyle \nu _{x}} 是任意一种中微子, n {\displaystyle n} 是中子。

中微子因此会失去一些能量,但仍旧继续存在。三种中微子参与这相互作用的可能性都相同。中子的捕获截面会随着中子的慢化而增加。随着中子接连地散射于重水,中子的能量会降低,速度越来越慢,最终会被水的原子核捕获,同时发射出伽马射线,其与电子发生散射,传输能量给电子,从而产生可被探测的切连科夫辐射。慢化过程摧毁了所有能量信息与方向信息。SNO实验发展出两种方法来改善探测效率。一种方法使用氦-3正比计数器,另一种方法使用氯盐。标准太阳模型预言,SNO实验每日大约会发生30个中性流事件。

电子弹性散射

在电子弹性散射英语elastic scattering里,中微子与束缚于原子里的电子发生碰撞:

ν x + e ν x + e {\displaystyle \nu _{x}+e\to \nu _{x}+e}

在这过程里,中微子会传输给电子一些能量。所有三种中微子都能参与这相互作用,这是通过交换中性Z玻色子,电中微子也可通过交换电性W玻色子参与这相互作用,这使得电中微子的反应截面增加6至7倍。因此,电子弹性散射的主要参与者是电中微子。由于这相互作用就好似台球的相对论性版本,生成的电子的移动方向通常会与中微子移动方向一样(朝着远离太阳的方向)。由于这种相互作用发生在束缚于原子的电子,它在重水与轻水都会发生。标准太阳模型预言,SNO实验每日大约会发生3个电子散射事件。

实验结果与影响

2001年6月18日,SNO首次发表科学结果,首先给出中微子振荡的明确证据。这结果意味着中微子的质量不等于零。SNO观测到的所有中微子的总通量符合理论预言。之后,更多SNO实验结果确定与改善原本结果。

虽然超级神冈探测器捷足先登,早在1998年就发表中微子振荡的证据,它的结果并非终极结果,并且不是专注于观测太阳中微子。SNO的结果首先直接展示太阳中微子的震荡。对于标准太阳模型,这结果具有关键性作用。SNO发表的两篇论文已被引用超过1,500 次,另外两篇论文也已被引用超过750次,从此可以知悉SNO结果在这领域所造成的重大影响。2007年,富兰克林学院英语Franklin Institute颁授物理学的富兰克林奖章给SNO主任阿瑟·麦克唐纳由于“发现了中微子震荡,并因此证明了中微子具有质量”,麦克唐纳分享2015 年诺贝尔物理学奖。

更多功能

当SNO探测器工作时,它可以探测到发生于银河系内的超新星。由于中微子的释出时间会比光子早很多,天文团体可以提早警觉到超新星光学事件将会发生。SNO是超新星早期预警系统(SNEWS)的创始成员之一。尚未发生任何超新星预警事件。

SNO实验能够观测到宇宙射线与在大气层产生的大气中微子。与超级神冈探测器相比较,由于SNO探测器的尺寸大小比较有限,能量低于1 GeV的宇宙射线中微子信号不具有统计显著性。

参阅

超越标准模型的物理学
由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象。它是通过衰变为强子喷流的质子与电子的碰撞形成的。
标准模型
存在证据
  • 级列问题英语Hierarchy problem
  • 暗物质
  • 宇宙学常数问题
  • 强CP问题
  • 中微子振荡
理论探索
  • 彩色理论英语Technicolor (physics)
  • 卡鲁扎-克莱因理论
  • 大统一理论
  • 万有理论
  • 弦理论
  • 因果费米子系英语Causal fermion system
  • 超流真空理论英语Superfluid vacuum theory
超对称
  • 最简超对称标准模型英语Minimal Supersymmetric Standard Model
  • 超弦理论
  • 超引力
量子引力
  • 弦理论
  • 循环量子引力
  • 因果三角剖分英语Causal dynamical triangulation
  • 因果费米子系英语Causal fermion system
  • 因果集英语Causal sets
  • 正则量子引力理论英语Canonical quantum gravity
  • 超流真空理论英语Superfluid vacuum theory
实验验证
  • ANNIE英语ANNIE
  • 格兰萨索英语Laboratori Nazionali del Gran Sasso
  • INO英语India-based Neutrino Observatory
  • LHC
  • SNO
  • Super-K
  • Tevatron
  • NOνA英语NOνA
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