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超级神冈探测器（1983年在日本建造的探测器）

次浏览 | 更新时间：2023-05-16

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超级神冈探测器

1983年在日本建造的探测器

超级神冈探测器（英语：Super-Kamiokande，可缩写为Super-K或SK；日语：スーパーカミオカンデ），全名为超级神冈中微子探测实验（Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment），是日本东京大学在岐阜县飞驒市神冈町的茂住矿山一个深达1000米的废弃砷矿中建造的大型中微子探测器。其目标是探测质子衰变以及被设计来寻找太阳、地球大气的中微子，并观测银河系内超新星爆发。

基本信息

中文名	超级神冈探测器
外文名	Super-Kamiokande
所属国家	日本
发射时间	1983年
所属地区	日本岐阜县
属性	中微子探测器
用途	探测中微子在水中的切伦科夫辐射

收起

描述

超级神冈探测器位于飞驒市神冈町的茂住矿山1,000米（3,300英尺）的地下。之所以盖在如此深的地层中是因为要阻隔其他的宇宙射线讯号。该设施主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的不锈钢圆柱形的容器，盛有5万吨100%的超纯水，光是填满就要两周时间。水箱容量被分成由一个直径为33.8米（111英尺）和高度为36.2米（119英尺）的不锈钢上层结构的内部探测器（ID）区，和包括其余结构的外部探测器（OD）区。容器的内壁上安装有11200个光电倍增管，用于探测高速中微子在水中通过时产生的切连科夫辐射。

探测器

超级神冈（SK）是用来研究从不同的来源中微子切连科夫辐射的一个探测器，包括太阳，超新星，大气，和加速器的质子衰变。实验开始于1996年4月，并于2001年7月停车检修，这一段时期被称为“SK-I”阶段。由于在维修过程中发生意外事故，实验在2002年10月继续，只有原来一半数量的光电倍增管。为了防止再发生意外事故，所有的光电倍增管都被覆盖的纤维增强塑料（FRP）与丙烯酸的前窗。这一阶段是从2002年10月到2005年10月为整个重建而做另一次关闭的阶段，被称为“SK-II”阶段。2006年7月，实验恢复了光电倍增管的完整数目，并在2008年9月停止实验而做电子设备的升级。这一时期被称为“SK-III”阶段。2008年后的时期被称为“SK-IV”阶段。所有阶段和它们的主要特性汇总于表1。

表1
阶段	SK-I	SK-II	SK-III	SK-IV
时期	开始	1996年4月	2002年10月	2006年7月	2008年9月
	结束	2001年7月	2005年10月	2008年9月	(运行中)
光电倍增管数量	ID	11146 (40%)	5182 (19%)	11129 (40%)	11129 (40%)
	OD	1885

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历史

这台探测器最初名为“神冈核子衰变实验”（KamiokaNDE），于1982年开始建造，1983年完工，圆柱形容器高16米，直径15.6米，装有3000吨水和大约1000只光电倍增管，目的是探测粒子物理学中的一个基本问题——质子衰变。1985年，探测器开始进行扩建，名为神冈核子衰变实验II期（KamiokaNDE-II），灵敏度大大提高。1987年2月，神冈探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦云中超新星1987A爆发时产生的中微子，这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子。

尽管神冈探测器最初探测质子衰变的目标始终没有实现，但却可以接收来自太阳的中微子，并且测量其入射的方向，研究太阳中微子缺失问题。20世纪90年代，神冈观测台耗资一亿美元建造了更大的探测器，名为超级神冈探测器（Super-KamiokaNDE），它的探测物质增加到了 50000 吨高度纯净的水。一句话总结，探测器在各方面都有了长足的改进。超级神冈探测器于1996年开始观测，其后自1998年起，超级神冈探测器开始发布探测结果。1998年，超级神冈探测器的领导者、日本科学家小柴昌俊发表了测量结果，给出中微子振荡的首个确切证据，认为中微子在三种不同“味”之间是可以相互转换的，这也表明中微子是有质量的，而不是粒子物理标准模型中预言的零质量粒子。2002年，超级神冈探测器证实反应堆中产生的中微子发生了振荡。这个探测结果在中微子天文学和粒子物理学中具有里程碑式的意义，小柴昌俊因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。

2001年11月12日，超级神冈探测器数千只光电倍增管由于连锁反应突然爆裂，随后工作人员重新排列了未损坏的光电倍增管，使其恢复了一部分工作能力，并加上了聚甲基丙烯酸甲酯保护壳，防止其进一步损坏。2005年7月到2006年6月，超级神冈探测器重新安装了6000只光电倍增管。

2020年1月2日，美国《科学》杂志刊文展望了2020年可能成为头条的十大科学新闻，超级神冈探测器入榜。

诺贝尔物理学奖

超级神冈探测器制造了数个诺贝尔物理学奖等级的成果，例如小柴昌俊（2002年）以及梶田隆章（2015年）。户冢洋二的贡献和梶田隆章相仿，但他在2008年去世，而诺贝尔奖不追认已经逝世的人。小柴、户冢、梶田三人为师徒关系，并为超级神冈探测器之共同创建者。

2015年10月6日，梶田隆章表示：“虽然结果上是我获得了诺贝尔奖...（中略）...我认为我的‘老师’的功劳更为重要。”韩国《朝鲜日报》指出，此处的“老师”就是已过世的户冢洋二。户冢被认为是“小柴最优秀的学生”。小柴昌俊曾表示，若户冢洋二能再多活十八个月，必能得奖。

大众文化中的超级神冈探测器

超级神冈探测器是德国摄影家安德列斯‧古尔斯基于2007年的作品《Kamiokande》之主题。该探测器亦成为美国科学纪录片“《宇宙时空之旅》第四篇：层层深入”的主题之一。

成果

在1987年2月，一场超新星爆发SN1987A出现在大麦哲伦星系。在此次事件中，超级神冈探测器第一次侦测到超新星中微子。超级神冈探测器对这些中微子侦测到了11场事件。这次观测证实了超新星爆发理论的正确性，并开启了中微子天文学。

1998年，超级神冈探测器首次发现了中微子震荡的强烈证据，其观测到了μ子中微子转变为τ子中微子的现象，这显示中微子具有质量。梶田隆章在该年的“中微子物理学・宇宙物理学国际会议”上发表该结果，并因此研究获得2015年的诺贝尔物理学奖。

参考资料

[1]

《科学》展望2020年十大科学头条：中国建造E级超算入榜[引用日期2020-01-03]

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