Камиоканде¶

Камиоканде (яп. 神岡鉱山, англ. Kamiokande) — японский детектор нейтрино, расположенный в шахте Камиока в префектуре Гифу, Япония. Первоначально созданный для регистрации нейтрино от сверхновых и солнечных нейтрино, он стал одним из первых крупных подземных экспериментов в области физики элементарных частиц и астрофизики. Название «Камиоканде» является аббревиатурой от «Kamioka Nucleon Decay Experiment» (эксперимент по поиску распада нуклона в Камиоке). Впоследствии на его основе был построен более крупный детектор «Супер-Камиоканде».

¶История

Идея создания подземного детектора для регистрации нейтрино возникла в конце 1970-х годов. В 1979 году японский физик Масатоси Косиба предложил построить в шахте Камиока большой водяной черенковский детектор для поиска распада протона — предсказанного, но не наблюдаемого процесса в рамках теорий великого объединения. Строительство началось в 1980 году, а в 1983 году детектор «Камиоканде» (первоначально называвшийся «KamiokaNDE-I») начал работу.

Первоначальная цель — регистрация распада протона — не была достигнута (распад протона не обнаружен), но детектор оказался чрезвычайно чувствительным к нейтрино. В 1987 году «Камиоканде» зарегистрировал нейтринную вспышку от сверхновой SN 1987A, вспыхнувшей в Большом Магеллановом Облаке. Это стало первым в истории наблюдением нейтрино от сверхновой, за что в 2002 году Масатоси Косиба получил Нобелевскую премию по физике (совместно с Раймондом Дэвисом-младшим).

В 1990-х годах детектор был модернизирован: в 1991 году запущен «Камиоканде-II» (улучшенная система регистрации), а в 1996 году — «Камиоканде-III» (увеличенный объём и чувствительность). В 1996 году на смену «Камиоканде» пришёл «Супер-Камиоканде» — детектор объёмом 50 000 тонн воды, расположенный в той же шахте.

¶Устройство и принцип работы

¶Детектор

«Камиоканде» представлял собой цилиндрический резервуар, заполненный сверхчистой водой. Первоначальный объём составлял 3000 тонн воды, из которых 2140 тонн находились в активной зоне, окружённой фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Внутренняя поверхность резервуара была покрыта 1000 ФЭУ диаметром 50 см (в «Камиоканде-I»), что обеспечивало покрытие около 20% поверхности.

¶Принцип регистрации

Детектор работал на основе черенковского излучения. Когда нейтрино взаимодействует с электроном или ядром в воде, возникает заряженная частица (например, электрон или мюон), движущаяся быстрее скорости света в воде. Эта частица испускает черенковский свет — конус излучения, который регистрируется фотоэлектронными умножителями. По времени прихода и интенсивности сигналов на разных ФЭУ восстанавливается направление, энергия и тип частицы.

¶Система защиты

Для уменьшения фона от космических лучей и радиоактивного распада детектор был расположен на глубине около 1000 метров под землёй (в шахте Камиока). Дополнительно вокруг активной зоны располагался слой воды (антисовпадательный счётчик) для отсеивания событий, вызванных мюонами космических лучей.

¶Научные результаты

¶Регистрация нейтрино от сверхновой SN 1987A

23 февраля 1987 года детектор «Камиоканде-II» зарегистрировал 11 нейтринных событий за 13 секунд, пришедших от сверхновой SN 1987A. Это был первый случай наблюдения нейтрино от взрыва сверхновой, что подтвердило теоретические модели коллапса звёзд и позволило оценить энергию и поток нейтрино.

¶Солнечные нейтрино

«Камиоканде» вёл наблюдение за солнечными нейтрино, образующимися в термоядерных реакциях на Солнце. В 1989 году были опубликованы результаты, показавшие, что поток нейтрино от Солнца составляет лишь около 40–50% от предсказаний Стандартной солнечной модели. Это стало одним из первых экспериментальных подтверждений так называемой «проблемы солнечных нейтрино» — расхождения между теорией и наблюдениями, которая впоследствии была объяснена осцилляциями нейтрино.

¶Поиск распада протона

Основная цель «Камиоканде» — поиск распада протона — не была достигнута. Верхний предел на время жизни протона по каналу распада p → e⁺π⁰ составил около 2,5×10³² лет (для «Камиоканде-I»), что значительно превышает предсказания некоторых теорий великого объединения.

¶Атмосферные нейтрино

«Камиоканде» также регистрировал нейтрино, образующиеся при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли. В 1990-х годах были получены первые указания на аномалию в соотношении мюонных и электронных нейтрино, что впоследствии было подтверждено «Супер-Камиоканде» и стало доказательством осцилляций нейтрино.

¶Модернизации и наследие

¶Камиоканде-II

В 1985–1986 годах детектор был модернизирован: установлена система антисовпадательных счётчиков, улучшена электроника. Это позволило снизить фон и увеличить чувствительность к нейтрино от сверхновых и Солнца.

¶Камиоканде-III

В 1991–1995 годах проведена вторая модернизация: объём активной зоны увеличен до 2140 тонн, число ФЭУ доведено до 948, улучшена система сбора данных. Это позволило проводить более точные измерения солнечных нейтрино.

¶Супер-Камиоканде

В 1996 году в той же шахте был запущен «Супер-Камиоканде» — детектор объёмом 50 000 тонн воды (22 500 тонн в активной зоне) с 11 146 ФЭУ. Он стал одним из крупнейших нейтринных детекторов в мире и продолжает работу по сей день, регистрируя нейтрино от Солнца, сверхновых, атмосферы и ускорителей.

¶Значение для науки

«Камиоканде» стал пионером в области подземных нейтринных экспериментов. Он впервые зарегистрировал нейтрино от сверхновой, подтвердил проблему солнечных нейтрино и указал на осцилляции нейтрино. Эти результаты заложили основы для современной нейтринной физики и привели к Нобелевской премии 2002 года для Масатоси Косибы. В России эксперименты такого типа не проводились, но японские достижения активно используются в международных проектах, таких как «Супер-Камиоканде» и «Гипер-Камиоканде».

¶Источники

• Masatoshi Koshiba, «Birth of neutrino astrophysics» (Нобелевская лекция, 2002)
• K. Hirata et al., «Observation of a neutrino burst from the supernova SN1987A» (Physical Review Letters, 1987)
• Y. Fukuda et al., «Solar neutrino data covering solar cycle 22» (Physical Review Letters, 1996)
• T. Kajita, «Atmospheric neutrino results from Super-Kamiokande and Kamiokande» (Nuclear Physics B, 1994)
• Официальные отчёты коллаборации Kamiokande (1983–1996)