Süper-Kamiokande

Süper-Kamiokande (Tam ismi: Süper-Kamiokande Nötrino Tespit Deneyi, kısaca Süper-K ya da SK) Hida, Gifu, Japonya'da kurulmuş bir nötrino gözlemevidir. Bu gözlemevi proton bozunması, güneş ve atmosfer nötrinolarını incelemek ve Samanyolu'ndaki süpernovalara gözcülük etmek için kurulmuştur.

Tanım

Süper-K, Hida'nın Kamioka civarında bulunan Mozomi Madeni'nin 1,000 m altına kurulmuştur. Super-K, 41.4 m boyunda ve 39.3 m çapında, içi 50,000 ton Aşırı-saf su ile dolu paslanmaz çelik bir su tankına sahiptir. Bu tank, dış detektörünün yanında, iç kısmında 33.8 m çaplı ve 36.2m boyunda bir iç detektör daha bulundurur. İç detektörün dışında 11,146 fotomultiper tüp (PMT) bulundurur.

Elektronlarla ya da su çekirdeği ile nötrinoların etkileşimi sonucunda su içindeki ışık hızından daha hızlı hareket eden (vakum içindeki ışık hızıyla karıştırılmamalı) yüklü bir parçacık oluşturur. Bu da Çerenkov ışıması olarak bilinen bir ışık konisi yaratır ki bu da ses patlamasının optik dengidir. Çerenkov ışıması duvara halka şeklinde yansıtılarak PMTler tarafından kaydedilir. PMTler tarafından kaydedilen zamanlamalar ve yük verileri kullanılarak, etkileşimin tepe noktası, halkanın yönü ve gelen nötrinonun türü tespit edilir. Halkanın kenar keskinliği parçacığın türünün belirlenmesini sağlar. Elektronların çoklu saçılımı geniş olduğundan, elektromanyetik yağış puslu halkalar oluşturur. Yüksek göreceli müonlar detektör içinden neredeyse düz bir şekilde geçer ve keskin kenarlı halkalar oluşturur.

Detektör

Süper-Kamiokande, Güneş, süpernovalar, atmosfer ve proton bozunum hızlandırıcıları gibi çeşitli kaynaklarından gelen nötrinoları incelemek için kullanılan bire Çerenkov detektörüdür. Deneyin ''SK-I'' olarak bilinen kısmı Şubat 1996'da başlayıp Temmuz 2001'de bakım için durduruldu. Bakım sırasında yaşanan bir kaza sebebiyle, deney Ekim 2002'de iç detektördeki PMTlerin sadece yarısı çalışır durumda tekrar başlatıldı. İleride yaşanabilecek kazaları önlemek amacıyla iç detektördeki PMTlerin tamamı akrilik ön camları olan koruyucu fiber plastiklerle kaplandı. Eylül 2002'den, Eylül 2005'te yapılan baştan yapılandırmaya kadar süren döneme ise "SK-II" denildi. Temmuz 2006'da bütün PMTleri onarılmış olarak başlayıp Eylül 2008'e kadar devam eden döneme ise "SK-III" denildi. 2008'den sonraki dönem ise "SK-IV" olarak bilinir.^[1]

SK-IV yükseltmesi

Önceki aşamada, iç PMTler sinyalleri analog zamanlama modülleri (ATM) olarak bilinen elektronik modeller sayesinde işliyordu. Bu modüllerin içinde, yük-analog dönüştürücüler (QAC) ve zaman-analog dönüştürücüler (TAC) bulunuyordu. Her PMT giriş sinyali için iki çift QAC/TAC bulunuyordu, bu da zaman kaybını ve birden fazla ardışık isabetin okunabilmesini münkün kılıyordu.

Süper-Kamiokande sistemi, önümüzdeki on yıl içinde istikrarı korumak ve Ethernet ve QTC-bazlı elektronikler (QBEE) ile verimliliğini artırmak amacıyla Eylül 2008'de yükseltildi.^[2]^[3] QBEE, iletişim hatlarını birleştirerek yüksek-hızlı sinyal işlemeye yarar. Bu elektronikler özel yapım yük-zaman dönüştürücüleridir (QTC) ^[4]

İzleme sistemi

Çevrimiçi izleme sistemi

DAQ sunucu bilgisayarından FDDI bağlantısıyla kontrol odasından verileri okuyan bir izleme bilgisayarıdır. Esnek bir program sayesinde vardiya operatörleri sağlar, detektör performansını çevrimiçi ya da yakın geçmiş histogramlarıyla denetler ve deneyi gözlemlemek için çeşitli görevler yerine getirir.

Gerçek zamanlı süpernova izleme sistemi

Süper-Kamiokande, ani patlamaları olabildiğince etkin bir şekilde tespit etmek ve tanımlamak için bir süpernova izleme sistemine sahiptir. Süper-Kamiokande şu ana kadar yaptığı gözlemlerle, Galaksimizin merkezinde gerçekleşen bir süpernovadan yaklaşık 10,000 olası sonuç tahmin etmiştir. Süper-Kamiokande bir patlamayı hiç vakit kaybetmeden tespit edebilir, ilk ve ikinci patlama arasında 30,000'e kadar sonuç tahmininde bulunabilir.

Araştırma

Güneş nötrinosu

Ayrıca Bkz: Nötrino Salınımları

Güneş enerjisi, 4 protonun, bir helyum atomu ve bir elektron nötrinosu oluşturulduğu, çekirdeğinde gerçekleşen bir nükleer füzyondan geliyor. Oluşan bu nötrinolara güneş nötrinosu denir. Güneşin çekirdeğinde gerçekleşen nükleer füzyon sonucu oluşan fotonların güneşin merkezinden yüzeyine ulaşması milyonlarca yıl alırken, oluşan nötrinolar maddelerle etkileşimde bulunmadığından yaklaşık 8 dakikada dünyaya ulaşır . Dolayısıyla, oluşumundan milyonlarca yıl sonra dünyaya ulaşan güneş ışığının aksine güneş nötrinoları güneşin "gerçek-zamanlı" incelemelerinin yapılabilmesini sağlar.^[5]

1999 yılında, Süper-Kamiokande güneş nötrino problemini çözen nötrino salınımlarına dair güçlü bir kanıt buldu. Güneş ve görülebilen yıldızların %80i enerjilerini hidrojeni helyuma çevirerek sağlıyordu:

$2e^{-}+4p\to {}^{2}\!He+2\nu _{e}+26.73MeV$

Sonuç olarak, Güneş dahil olmak üzere yıldızlar nötrinoların kaynağıydı.

Atmosfer nötrinoları

Atmosfer nötrinoları, Dünya atmosferinin birincil kozmik ışınlarla (genellikle proton) gerçekleştirdiği etkileşimlerde bozunan parçacıkların ürettiği ikincil kozmik ışınlardır. Gözlenmiş atmosfer nötrinosu verileri dört türe ayrılır; Tamamen kapsanan olaylar, kısmen kapsanan olaylar, yukarı yönlü hareket halindeki müonlar ve yukarı doğru duran müonlar.

K2K Deneyi

K2K deneyi 1999 Haziran da başlanan ve 2004 Kasım da biten bir nötrino deneyiydi. Bu deney Süper-Kamiokande deneyinde müon nötrinolarında gözlemlenen salınımları doğrulamak amacıyla yapılmıştır. Nötrino salınımları ile ilgili ilk olumlu ölçümü hem kaynak hem de detektör kontol altındayken verdi. Süper-Kamiokande detektörü bu deneyde büyük rol aldı. Daha sonra K2K deneyinin ikinci jenerasyon takip deneyi olan T2K deneyi yapıldı.

T2K Deneyi

T2K deneyi Japonya, Amerika Birleşik Devletleri ve birçok diğer ülkenin ortak çalıştığı bir nötrino deneyidir. Hedefi nötrino salınımlarının parametreleri hakkında daha derin bir anlayışa ulaşmaktı. T2K müon nötrinolarının elektron nötrinolarına salınımlarıyla ilgili yaptığı araştırmanın ilk sonuçlarını Haziran 2011'de açıkladı.^[6] Super-Kamiokande dedektörü yine büyük bir rol oynadı. Süper-K dedektörü yüksek enerjili nötrinolarla su arasındaki etkileşimlerin oluşturduğu müon Çerenkov ışımasını kaydetmekle görevli.

Proton Bozunması

Proton, Standart Modele göre kesin olarak kararlıdır. Ancak, Büyük Birleşim Kuramı elektron, müon, pion ve diğer hafif yüklü parçacıklara bozunabileceğini ve bu durumun gözlemleneceğini öne sürdü. Kamiokande bazı teorilerin ortadan kaldırılmasına yardımcı oldu. Süper-Kamiokande şu anda proton bozunmasını gözlemleyen en geniş detektör.

Veri işleme

Çevrimdışı veri işleme hem Kamioka ve Amerika Birleşik Devletleri'nde gerçekleşmektedir.

Kamioka İçinde

Çevrimdışı veri işleme sistemi Kenkyuto'da bulunmakta ve Süper-Kamiokande detektörüne 4 km FDDI fiber optik bağlantı ile bağlıdır. Veri akışı çevrimiçi sistemi ortalama olarak 450 kByte / s⁻¹, 40 GB gün⁻¹ veya 14 Tbytes yıl^-1a denk gelmektedir. Çevrimdışı sistemi, veri depolamak için manyetik kasetler kullanılmaktaydı ve analizin büyük bir kısmı burada yapılmaktaydı. Veri analizi için çeşitli bilgisayar yapıları kullanıldığından çevrimdışı veri işleme sistemi herhangi bir platforma bağlı olmayacak şekilde tasarlandı. Bu sebeple, veri yapıları CERN de ve ZEBRA takas sisteminde kullanılan ZEBRA banka sistemi baz alarak tasarlandı.^[7]

ABD'de

NY, Stony Brook Üniversitesi'nde kurulmuş bir çevrimiçi veri işleme sisteminde Kamioka'dan gönderilen veriler işleniyordu. Gönderilen yeniden yapılanmış ve işlenmemiş verilerin büyük bir kısmı Kamioka'daki sistem tesisindendi. Stony Brook Üniversitesi'ndeki bu sistem daha çok analiz ve ileri işleme üzerineydi. Burada işlenen verilerin bir kısmı ise araştırmaların devamı için Kaliforniya Üniversitesi, Irvine'e gönderiliyordu.

Sonuçlar

1998'de, Süper-Kamiokande müon nötrinolarının tau nötrinolarına dönüşümünü gözlemleyerek nötrino salınımlarıyla ilgili ilk önemli kanıtı buldu.

Süper-Kamiokande proton yaşam süresini, birçok nadir bozunumu ve nötrino özelliğini buldu. Süper-K, 5.9 × 10³³yr kaonlara bozunan protonların alt sınırını keşfetti

Popüler Kültürde

Süper-Kamiokande, Alman fotoğrafçı Andreas Gursky'nin 2007 tarihli Kamiokande fotoğrafının konusu olmuştur.^[8] Detektör, ayrıca Cosmos: Bir Uzay Serüveni'nde de gösterilmiştir.

Ayrıca bakınız

Kaynakça

^ K. Abe (11 Şubat 2014), "Calibration of the Super-Kamiokande detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, cilt 737, ss. 253-272, arXiv:1307.0162 $2, Bibcode:2014NIMPA.737..253A, doi:10.1016/j.nima.2013.11.081
^ S. Yamada (2009), "Commissioning of the new electronics and online system for the Super-Kamiokande Experiment", IEEE Transactions on Nuclear Science, cilt NS-57, s. 248, 6 Mart 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi, erişim tarihi: 18 Aralık 2020
^ Tomura, T.; Hayato, Y.; Ikeno, M.; Nakahata, M.; Nakayama, S.; Obayashi, Y.; Okumurac, K.; Shiozawa, M.; Suzuki, S. Y.; Uchida, T.; Yamada, S.; Yokozawa, T. (2012), "Development of New Data Acquisition System for Nearby Supernova Bursts at Super-Kamiokande", Physics Procedia, Technology and Instrumentation for Particle Physics 2011, cilt 37, ss. 1398-1405, doi:10.1016/j.phpro.2012.02.477
^ H. Nishino (2009), "High-speed charge-to-time converter ASIC for the Super-Kamiokande detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, cilt 610, ss. 710-717, arXiv:0911.0986 $2, Bibcode:2009NIMPA.610..710N, doi:10.1016/j.nima.2009.09.026
^ "The official Super-Kamiokande home page/research". 13 Nisan 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mayıs 2016.
^ "The official homepage of T2K experiment". 24 Mayıs 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mayıs 2016.
^ S. Fukuda (1 Nisan 2003), "The Super-Kamiokande detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, cilt 51, ss. 418-462, Bibcode:2003NIMPA.501..418F, doi:10.1016/S0168-9002(03)00425-X
^ "Arşivlenmiş kopya". 5 Haziran 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mayıs 2016.

Dış bağlantılar

Resmî site

[1] K. Abe (11 Şubat 2014), "Calibration of the Super-Kamiokande detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, cilt 737, ss. 253-272, arXiv:1307.0162 $2, Bibcode:2014NIMPA.737..253A, doi:10.1016/j.nima.2013.11.081

[2] S. Yamada (2009), "Commissioning of the new electronics and online system for the Super-Kamiokande Experiment", IEEE Transactions on Nuclear Science, cilt NS-57, s. 248, 6 Mart 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi, erişim tarihi: 18 Aralık 2020

[3] Tomura, T.; Hayato, Y.; Ikeno, M.; Nakahata, M.; Nakayama, S.; Obayashi, Y.; Okumurac, K.; Shiozawa, M.; Suzuki, S. Y.; Uchida, T.; Yamada, S.; Yokozawa, T. (2012), "Development of New Data Acquisition System for Nearby Supernova Bursts at Super-Kamiokande", Physics Procedia, Technology and Instrumentation for Particle Physics 2011, cilt 37, ss. 1398-1405, doi:10.1016/j.phpro.2012.02.477

[4] H. Nishino (2009), "High-speed charge-to-time converter ASIC for the Super-Kamiokande detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, cilt 610, ss. 710-717, arXiv:0911.0986 $2, Bibcode:2009NIMPA.610..710N, doi:10.1016/j.nima.2009.09.026

[5] "The official Super-Kamiokande home page/research". 13 Nisan 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mayıs 2016.

[6] "The official homepage of T2K experiment". 24 Mayıs 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mayıs 2016.

[7] S. Fukuda (1 Nisan 2003), "The Super-Kamiokande detector", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, cilt 51, ss. 418-462, Bibcode:2003NIMPA.501..418F, doi:10.1016/S0168-9002(03)00425-X

[8] "Arşivlenmiş kopya". 5 Haziran 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Mayıs 2016.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]