Das Sudbury Neutrino Observatory ( SNO ) war ein Neutrino-Observatorium, das sich 2100 m unter der Erde in der Creighton-Mine von Vale in Sudbury , Ontario , Kanada, befand. Der Detektor war so konstruiert, dass er solare Neutrinos durch deren Wechselwirkungen mit einem großen Behälter mit schwerem Wasser nachweisen konnte .

Der Detektor wurde im Mai 1999 in Betrieb genommen und am 28. November 2006 abgeschaltet. Die SNO-Kollaboration war danach noch mehrere Jahre aktiv und analysierte die aufgenommenen Daten.

Der Leiter des Experiments, Art McDonald , wurde 2015 gemeinsam mit anderen mit dem Nobelpreis für Physik für den Beitrag des Experiments zur Entdeckung der Neutrinooszillation ausgezeichnet . [ 1 ]

Das unterirdische Labor wurde zu einer permanenten Einrichtung erweitert und führt nun als SNOLAB mehrere Experimente durch . Die SNO-Ausrüstung selbst wurde im Februar 2017 für den Einsatz im SNO+ -Experiment überholt.

Experimentelle Motivation

Die ersten Messungen der Anzahl der die Erde erreichenden solaren Neutrinos wurden in den 1960er Jahren durchgeführt. Alle Experimente vor SNO beobachteten ein Drittel bis die Hälfte weniger Neutrinos als vom Standardmodell der Sonne vorhergesagt . Nachdem mehrere Experimente dieses Defizit bestätigt hatten, wurde der Effekt als solares Neutrinoproblem bekannt . Über mehrere Jahrzehnte wurden zahlreiche Ideen zur Erklärung dieses Phänomens entwickelt, darunter die Hypothese der Neutrinooszillationen . Alle solaren Neutrinodetektoren vor SNO waren primär oder ausschließlich für Elektron-Neutrinos sensitiv und lieferten kaum oder gar keine Informationen über Myon- und Tau-Neutrinos .

1984 wies Herb Chen von der University of California, Irvine, erstmals auf die Vorteile von Schwerwasser als Detektor für solare Neutrinos hin. [ 2 ] Im Gegensatz zu früheren Detektoren würde Schwerwasser den Detektor für zwei Reaktionen sensitiv machen: eine Reaktion, die alle Neutrino-Flavours erfasst, und eine weitere, die nur Elektron-Neutrinos erfasst. Somit könnte ein solcher Detektor Neutrinooszillationen direkt messen. Ein Standort in Kanada war attraktiv, da Atomic Energy of Canada Limited , die große Schwerwasservorräte für ihre CANDU- Reaktorkraftwerke unterhält, bereit war, die benötigte Menge (im Wert von 330.000.000 CA$ zum Marktpreis) kostenlos zur Verfügung zu stellen. [ 3 ] [ 4 ]

Die Creighton-Mine in Sudbury zählt zu den tiefsten Minen der Welt und weist dementsprechend eine sehr geringe Hintergrundstrahlung auf. Sie wurde schnell als idealer Standort für Chens geplantes Experiment identifiziert [ 3 ] , und die Minenleitung war bereit, das Gelände gegen eine geringe Mehrkostenbeteiligung zur Verfügung zu stellen. [ 5 ] : 440

Die SNO-Kollaboration hielt ihre erste Sitzung 1984 ab. Damals konkurrierte sie mit dem KAON-Factory -Projekt von TRIUMF um Bundesmittel, und die breite Unterstützung durch Universitäten führte schnell dazu, dass SNO für die Entwicklung ausgewählt wurde. Die offizielle Genehmigung erfolgte 1990.

Das Experiment beobachtete das Licht, das von relativistischen Elektronen in durch Neutrino-Wechselwirkungen erzeugtem Wasser stammt. Beim Durchqueren eines Mediums verlieren relativistische Elektronen Energie und erzeugen durch den Tscherenkow-Effekt einen Kegel aus blauem Licht . Genau dieses Licht wird direkt detektiert.

Detektorbeschreibung

Der Sudbury-Neutrinodetektor (Mit freundlicher Genehmigung von SNO)
Weitwinkelansicht des Detektorinneren (Mit freundlicher Genehmigung von SNO)

Das SNO-Detektorziel bestand aus 1.000 Tonnen Schwerwasser in einem Acrylbehälter mit 6 Metern Radius . Der Detektorhohlraum außerhalb des Behälters war mit normalem Wasser gefüllt, um sowohl Auftrieb als auch Strahlungsschutz zu gewährleisten . Das Schwerwasser wurde von etwa 9.600 Photomultiplier-Röhren (PMTs) erfasst, die auf einer geodätischen Kugel mit einem Radius von etwa 850 Zentimetern montiert waren . Der den Detektor beherbergende Hohlraum war der weltweit größte in dieser Tiefe [ 6 ] und erforderte verschiedene Hochleistungsverankerungstechniken, um Gebirgsschläge zu verhindern. Der Abbau wurde im Mai 1993 abgeschlossen. [ 7 ]

Das Observatorium befindet sich am Ende eines 1,5 Kilometer langen Stollens , dem sogenannten „SNO-Stollen“, und ist dadurch von anderen Abbaugebieten isoliert. Entlang des Stollens liegen mehrere Betriebs- und Geräteräume, die alle in Reinräumen untergebracht sind . Der Großteil der Anlage entspricht der Reinraumklasse 3000 (weniger als 3000 Partikel mit einer Größe von 1 μm oder größer pro 1 ft³ Luft ) , der letzte Hohlraum mit dem Detektor hingegen der noch strengeren Reinraumklasse 100. [ 3 ]

Wechselwirkung von geladenem Strom

Bei der Wechselwirkung geladener Ströme wandelt ein Neutrino das Neutron eines Deuterons in ein Proton um . Das Neutrino wird dabei absorbiert, und es entsteht ein Elektron. Da solare Neutrinos Energien besitzen, die kleiner sind als die Masse von Myonen und Tau-Leptonen , können nur Elektron-Neutrinos an dieser Reaktion teilnehmen. Das emittierte Elektron trägt den größten Teil der Energie des Neutrinos (in der Größenordnung von 5–15  MeV) und ist nachweisbar. Das entstehende Proton besitzt nicht genügend Energie, um leicht detektiert zu werden. Die bei dieser Reaktion erzeugten Elektronen werden in alle Richtungen emittiert, weisen aber eine leichte Tendenz zurück in die Richtung, aus der das Neutrino kam.

Wechselwirkung mit neutralen Strömen

Bei der Wechselwirkung mit neutralem Strom dissoziiert ein Neutrino das Deuteron und spaltet es in seine Bestandteile Neutron und Proton auf. Das Neutrino setzt seinen Weg mit etwas weniger Energie fort, und alle drei Neutrinoarten nehmen mit gleicher Wahrscheinlichkeit an dieser Wechselwirkung teil. Schweres Wasser hat einen kleinen Wirkungsquerschnitt für Neutronen. Werden jedoch Neutronen von einem Deuteriumkern eingefangen, entsteht ein Gammastrahl ( Photon ) mit einer Energie von etwa 6 MeV. Die Richtung des Gammastrahls ist völlig unabhängig von der Richtung des Neutrinos. Einige der aus den dissoziierten Deuteronen entstehenden Neutronen gelangen durch das Acrylglasgefäß in den Leichtwassermantel, der das schwere Wasser umgibt. Da Leichtwasser einen sehr großen Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang besitzt, werden diese Neutronen sehr schnell eingefangen. Bei dieser Reaktion entstehen Gammastrahlen mit einer Energie von etwa 2,2 MeV. Da die Energie der Photonen jedoch unterhalb der Nachweisgrenze des Detektors liegt (sie lösen also die Photomultiplier nicht aus), sind sie nicht direkt messbar. Wenn jedoch ein Gammastrahl über Compton-Streuung mit einem Elektron kollidiert, kann das beschleunigte Elektron mittels Tscherenkow-Strahlung nachgewiesen werden.

elastische Elektronenstreuung

Bei der elastischen Streuung kollidiert ein Neutrino mit einem Atom-Elektron und gibt einen Teil seiner Energie an dieses ab. Alle drei Neutrinotypen können durch den Austausch des neutralen Z-Bosons an dieser Wechselwirkung teilnehmen , Elektron-Neutrinos zusätzlich durch den Austausch des geladenen W-Bosons . Daher wird diese Wechselwirkung von Elektron-Neutrinos dominiert, und über diesen Kanal kann der Super-Kamiokande -Detektor (Super-K) solare Neutrinos nachweisen. Diese Wechselwirkung entspricht in der Relativitätstheorie dem Billardspiel , weshalb die entstehenden Elektronen üblicherweise in die Richtung zeigen, in die sich das Neutrino bewegte (von der Sonne weg). Da diese Wechselwirkung an Atom-Elektronen stattfindet, tritt sie in schwerem und leichtem Wasser mit der gleichen Rate auf.

Experimentelle Ergebnisse und Auswirkungen

Die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse des SNO wurden am 18. Juni 2001 veröffentlicht [ 8 ] [ 9 ] und lieferten den ersten eindeutigen Beweis dafür, dass Neutrinos auf ihrem Weg von der Sonne oszillieren (d. h., dass sie sich ineinander umwandeln können). Diese Oszillation impliziert wiederum, dass Neutrinos eine von null verschiedene Masse besitzen. Der vom SNO gemessene Gesamtfluss aller Neutrino-Flavours stimmt gut mit theoretischen Vorhersagen überein. Weitere Messungen des SNO haben die Genauigkeit des ursprünglichen Ergebnisses seither bestätigt und verbessert.

Obwohl Super-K dem SNO zuvorgekommen war und bereits 1998 Hinweise auf Neutrinooszillationen veröffentlicht hatte, waren die Ergebnisse von Super-K nicht schlüssig und befassten sich nicht speziell mit solaren Neutrinos. Die Ergebnisse des SNO waren die ersten, die Oszillationen solarer Neutrinos direkt nachwiesen. Dies war von großer Bedeutung für das Standardmodell der Sonne . 2007 verlieh das Franklin Institute dem Direktor des SNO , Art McDonald , die Benjamin-Franklin-Medaille für Physik. [ 10 ] 2015 wurde der Nobelpreis für Physik gemeinsam an Arthur B. McDonald und Takaaki Kajita von der Universität Tokio für die Entdeckung der Neutrinooszillationen verliehen. [ 11 ]

Weitere Analysen

Der SNO-Detektor hätte eine Supernova in unserer Galaxie nachweisen können , wenn während seiner Betriebszeit eine solche aufgetreten wäre. Da die von einer Supernova emittierten Neutrinos früher freigesetzt werden als die Photonen, ist es möglich, die astronomische Gemeinschaft zu warnen, bevor die Supernova sichtbar wird. SNO war zusammen mit Super-Kamiokande und dem Large Volume Detector Gründungsmitglied des Supernova-Frühwarnsystems (SNEWS) . Bislang wurde jedoch keine solche Supernova nachgewiesen. [ 12 ]

Das SNO-Experiment konnte auch atmosphärische Neutrinos beobachten, die durch Wechselwirkungen kosmischer Strahlung mit der Atmosphäre entstehen. Aufgrund der im Vergleich zu Super-K begrenzten Größe des SNO-Detektors ist das schwache Signal kosmischer Neutrinos bei Neutrinoenergien unter 1  GeV statistisch nicht signifikant . [ 13 ]

Das Experiment veröffentlichte eine Suche nach möglichen Signalen von Neutron-Antineutron-Oszillationen , also von in Atomkernen gebundenen Neutronen. Für diese spezielle Untersuchung ist das Deuteron der ideale Zielkern. [ 14 ]

Nickelraffinerie

Die chemische Gasphasenmetallraffination (CVMR; eine Form der chemischen Gasphasenabscheidung ) spielte eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung des SNO. Die Neutronendetektoren benötigten etwa 1200 Nickelröhrchen [ 15 ] mit extrem niedrigen Konzentrationen an radioaktiven Verunreinigungen wie Uran und Thorium. Studien zum Projekt bestätigen, dass die Verwendung von CVMR-Nickel die radioaktiven Verunreinigungen um bis zu sechs Größenordnungen reduzierte und somit die für Neutrinomessungen erforderliche Radioreinheit sicherstellte. [ 16 ]

Teilnehmende Institutionen

Große Teilchenphysikexperimente erfordern große Kollaborationen. Mit etwa 100 Mitarbeitern war SNO im Vergleich zu Collider-Experimenten eine eher kleine Gruppe . Zu den beteiligten Institutionen gehörten:

Kanada

Obwohl Chalk River Laboratories keine kooperierende Institution mehr ist, leitete das Unternehmen den Bau des Acrylbehälters, der das schwere Wasser enthält, und Atomic Energy of Canada Limited war die Quelle des schweren Wassers.

Vereinigtes Königreich

Vereinigte Staaten

Ehrungen und Auszeichnungen

Siehe auch

  • DEAP – Dunkle-Materie-Experiment mit Argon-Impulsform am SNO-Standort
  • Homestake-Experiment – ​​Ein Vorgängerexperiment, das von 1970 bis 1994 in einem Bergwerk in Lead, South Dakota, durchgeführt wurde.
  • SNO+ – Der Nachfolger von SNO
  • SNOLAB – Ein permanentes unterirdisches Physiklabor, das um SNO herum gebaut wird

Referenzen

46°28′30″N81°12′04″W / 46.47500°N 81.20111°W / 46.47500; -81.20111[18]

  1. ^ „Nobelpreis für Physik 2015: Kanadier Arthur B. McDonald teilt sich den Preis mit dem Japaner Takaaki Kajita“ . CBC News . 06.10.2015.
  2. ^ Chen, Herbert H. (September 1984). „Direkter Ansatz zur Lösung des Solar-Neutrino-Problems“. Physical Review Letters . 55 (14): 1534–1536 . Bibcode : 1985PhRvL..55.1534C . doi : 10.1103/PhysRevLett.55.1534 . PMID 10031848 . 
  3. ^ a b c „Das Sudbury Neutrino Observatory – Kanadas Auge auf das Universum“ . CERN Courier . CERN . 4. Dezember 2001. Archiviert vom Original am 25. Juni 2016. Abgerufen am 4. Juni 2008 .
  4. ^ „Heavy Water“ . 31. Januar 2006. Archiviert vom Original am 19. Dezember 2015. Abgerufen am 3. Dezember 2015 .
  5. ^ Jelley, Nick; McDonald, Arthur B .; Robertson, RG Hamish (2009). „Das Sudbury Neutrino Observatory“ (PDF) . Annual Review of Nuclear and Particle Science . 59 (1): 431–65 . Bibcode : 2009ARNPS..59..431J . doi : 10.1146/annurev.nucl.55.090704.151550 . Ein guter Rückblick auf das Projekt.
  6. ^ Brewer, Robert. „Deep Sphere: Die einzigartige Struktur des im Erdinneren vergrabenen Sudbury-Neutrino-Observatoriums“ . Canadian Consulting Engineer . Archiviert vom Original am 4. März 2016. Abgerufen am 14. Januar 2016 .
  7. ^ „Schwarzes Loch zum Einfangen von Neutrinos von Inco-Bergleuten fertiggestellt“ (PDF) . Inco Triangle . 52 (5): 1. Mai 1993.
  8. ^ Ahmad, QR; et al. (2001). „Messung der Rate von ν e + d → p + p + e − Wechselwirkungen, die von 8B -Sonnenneutrinos am Sudbury Neutrino Observatory erzeugt werden“. Physical Review Letters . 87 (7) 071301. arXiv : nucl-ex/0106015 . Bibcode : 2001PhRvL..87g1301A . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.071301 . PMID 11497878 . 
  9. ^ „Erste wissenschaftliche Ergebnisse des Sudbury Neutrino Observatory“ . 3. Juli 2001. Archiviert vom Original am 12. Dezember 2015. Abgerufen am 4. Juni 2008 .
  10. ^ „Arthur B. McDonald, Ph.D.“ Franklin Laureate Database . Franklin Institute . Archiviert vom Original am 04.10.2008 . Abgerufen am 04.06.2008 .
  11. ^ „Nobelpreis für Physik 2015“ . Abgerufen am 6. Oktober 2015 .
  12. ^ Fleurot, F. (2005-06-01). „Supernova-Monitoring am SNO“ . Nuclear Physics B – Proceedings Supplements . NEUTRINO 2004. 143 : 539. doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2005.01.204 . ISSN 0920-5632 . 
  13. ^ „Messung atmosphärischer Neutrinos am Sudbury Neutrino Observatory“ . Nuclear Physics A. 827 ( 1–4 ) : 498c– 500c. 15.08.2009. doi : 10.1016/j.nuclphysa.2009.05.143 . ISSN 0375-9474 . 
  14. ^ Aharmim, B.; et al. (2017-11-20). „Suche nach Neutron-Antineutron-Oszillationen am Sudbury Neutrino Observatory“ . Physical Review D. 96 ( 9). doi : 10.1103/PhysRevD.96.092005 . ISSN 2470-0010 . 
  15. ^ "CVMR — Nickel" . cvmr.ca .
  16. ^ „Reinigung und Radioreinheit von CVD-Nickel für das SNO NCD-Array“ (PDF) . Sudbury Neutrino Observatory .
  17. ^ „Frühere Preisträger – Das Sudbury Neutrino Observatory“ . NSERC . 3. März 2008. Archiviert vom Original am 10. Oktober 2006. Abgerufen am 4. Juni 2008 .
  18. ^ SNOLAB Benutzerhandbuch Rev. 2 (PDF) , 26.06.2006, S. 33 , abgerufen am 01.02.2013