Sudbury Nötrino Gözlemevi

Sudbury Nötrino Gözlemevi (SNG), Kanadanın Ontario vilayetinde Sudbury şehrindeki Creighton Madeninde bulunan, yerin 2100m altındaki bir nötrino gözlemevidir. Detektör, güneş nötrinolarını geniş bir ağır su haznesiyle olan etkileşimleriyle tespit etmek için tasarlanmış.
Detektör Mayıs 1999'da etkinleştirildi ve 28 Kasım 2006'da devre dışı bıraklıdı. SNG işbirliği, veri analiz edilirken birkaç yıl daha çalıştı.
Deneyin direktörü Arthur B. McDonald ve Takaaki Kajita deneyin nötrino salınımlarının bulunmasına katkısıyla 2015 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Yeraltı laboratuvarı kalıcı tesis olacak şekilde genişletildi ve şimdi SNOLAB adı altında birden fazla deney yürütüyor. SNG'de kullanılan ekipman SNG+ deneyi için şu anda yenilenmekte.
Deneysel motivasyon
Yere ulaşan güneş nötrinolarının sayımı ilk defa 1960'larda yapıldı. SNG'den önceki deneylerde bulunan nötrino sayıları standart Güneş modeline göre yapılan tahminlere göre eksik çıkıyordu, deneylerdeki hesaplamalarda bu açık Güneş nötrino problemi olarak biliniyordu. On yıllarca bu açığın sebebini bulmak için birçok fikir sunuldu, bunlardan birisi de nötrino salınımları hipotezidir. SNG'den önceki deneylerde kullanılan detektörler öncelikle ya da yalnızca elektron nötrinolarını tespit etmeye uygundu, müon nötrinoları ve tau nötrinolarınılarını tespit etmede yetersizdi.
1984'te, California Üniversitesi, Irvene'den Herbert Chen ağır suyun güneş nötrinolarını tespit etmede avantajlarını gösterdi. Önceki detektörlerin aksine, ağır su dedektörleri iki reaksiyona hassas duruma getiriyordu, ilk reaksiyon bütün nötrino çeşitlerine hassastı, diğer reaksiyon ise sadece elektron nötrinolarına hassastı. Dolayısıyla, böyle bir detektör nötrino salınımlarını doğrudan ölçebiliyordu. Araştırmanın Kanada'da yapılmasının sebebi ise, geniş ağır su stoklarıyla CANDU reaktörü enerji santrallerinı destekleyen, Kanada Atomik Enerji Şirketi araştırmalar için gerekli bütçeyi (değer C$330,000,000 piyasa fiyatları) masrafsız şekilde karşılamasıydı.
Sudbury'deki Creighton Madeni, dünyanın en derin madenlerinden ve dolayısıyla düşük arka plan radyasyonuna sahipti. Bu durum, madeni Chen'in araştırması için ideal bir yer haline getirdi ve maden yönetimi bölgeyi sadece ek masraflar karşılığında uygun hale getirmeyi kabul etti.:440
SNG işbirliği 1984 yılında ilk toplantısını yaptı. O dönemlerde TRIUMF'nin KAON Fabrikası deneyi ile devlet araştırma fonu için rekabet içerisindeydi, ancak çeşitli üniversitelerden destek alan SNG hızlı bir şekilde geliştirme için seçildi. Resmi başlama emri 1990'da geldi.
Deney, nötrino etkileşimlerinin su içinde oluşturduğu rölativistik elektronların yaydığı ışığı inceledi. Rölativistik elektronlar kanal boyunca hareket ederken, kaybettikleri enerji mavi bir ışık yayarak Çerenkov ışıması gerçekleştirdi ve bu ışık doğrudan tespit edildi.
Detektör özellikleri
SNG detektörü içinde 1000 ton ağır su barındıran 6 metre çapındaki akrilik tanktan oluşuyordu. Tankın dış kısmındaki boşluk ise batmazlık ve radyason koruması sağlaması için normal su ile doluydu. Ağır su, yaklaşık 9,600 fotomultiper tüp 850 cm çapındaki jeodezik bir kürenin üzerine kurularak izlendi. Madende, detektörü barındıran oyuk bu derinlikte dünyanın en genişiydi, taş patlamalarını engellemek için çeşitli yüksek performans taş cıvatalama tekniği kullanıldı.
Gözlem evi, diğer maden operasyonlarıdan izole edilmiş, 1.5 kilometrelik(0.9 mil) bir sürüklenmenin, "SNG sürüklenmesi" adında, sonunda yer almaktadır.
Bu sürüklenme boyunca çok sayıda operasyon ve ekipman odaları, her biri izole oda olmak üzere, bulunmaktadır.
Tesisin çoğunluğu 3000 Modelindeyken (Her 1ft3 hava için 1 μm veya daha büyük ve 3000 parçacıktan daha az) detektörün bulunduğu son oyuk 100 Modelindedir.
Yüklü akım etkileşimi
Yüklü akım etkilişiminde, nötrino döteryumun içinde bulunan nötronu protona çevirir. Bu reaksiyon sırasında nötrino soğurulur ve elektron üretilir.
Güneş nötrinoları müonların ve tau leptonlarının kütlesinden daha küçük enerjiye sahiptir. Bu yüzden yalnızca elektron nötrinoları bu reaksiyona katılabilir.
Emilen elektron nötrionun enerjisinin büyük bir kısmını taşır, 5-15 MeV arasında ve tespit edilebilir.
Üretilen proton ise yeterince enerjiye sahip olmadığından kolayca tespit edilemez.
Bu reaksiyon sırasında üretilen tüm elektronlar her yönden emilir. Ancak, elektronları nötrinoların geldiği yöne yönlendiren ufak bir eğilim vardır.
Nötr akım etkileşimi
Nötr akım etkileşimleri sırasında, nötrino döteryumu onun ana nötron ve protonlarına kadar ayrıştırır.
Aynı nötrino biraz daha az enerji ile devam eder ve üç nötrino çeşidinin de bu etkileşime katılma olasılığı aynıdır.
Ağır sular nötronlar için küçük bir kesit alanına sahiptir ve nötronlar bir döteryum özü yakaladığında yaklaşık 6 MeV enerjiye sahip bir gama ışını (foton) üretilir.
Bu gama ışığının yönünün ise nötrinonun yönü ile hiçbir bağlantısı yoktur.
Nötronların bir kısmı akrilik tankı dolaşarak hafif sulara geçer ve hafif sular nötron yakalamak için büyük bir kesit alanına sahip olduğundan bu nötronlar çabucak yakalanır.
Yaklaşık 2 MeV enerjiye sahip bir gama ışını bu tepkime sırasında üretilir ancak bu enerji detektör eşiğinin altında olduğundan gözlenemezler.
Bu gama ışını Compton saçılması sırasında bir elektron ile çarpışır ve bu ivmelenen elektron Çerenkov radyasyonu ile tespit edilebilir.
Elektron esnek saçılması
Esnek saçılma etkileşiminde, bir nötrino atomik elektronlardan biriyle çarpışır ve enerjisinin bir kısmını elektrona aktarır. Her üç nötrino bu etkileşime nötr Z bozon değişmesi yoluyla ve elektron nötrinoları ise yüklü W bozonu değişmesi yoluyla katılabilir. Bu nedenle bu etkileşim elektron nötrinoları tarafında domine edilir ve bu yolla Süper-Kamiokande (Süper-K) detektörü güneş nötrinolarını gözlemleyebilir. Bu etkileşim göreceli olarak bilardoya benzer, bu nedenle üretilen elektronlar genellikle nötrinonun hareket vektörünün doğrultusundadır. (güneşin aksi yönünde). Bu etkileşim atomik elektronlarla gerçekleştiği için, ağır ve normal sularda aynı oranda etkileşir.
Deneysel sonuçlar ve etki
18 Haziran 2001'de, SNG'nin ilk bilimsel sonuçları yayınlanarak, nötrinoların Güneş'deki hareketi süresince salındıklarını(ö. o başka bir çeşie dönüşebildiklerini) ilk kez kesin olarak kanıtladı.
Bu salınım ise nötrinoların kütlelerinin sıfırdan farklı olduğunu gösterdi.
SNG tarafından ölçülen bütün nötrino çeşitlerinin akısı, teorik tahmin ile uyuştu.
SNG tarafından yapılan sonraki ölçümler ise onaylandı ve asıl sonucun kesinliğini arttırdı.
Her ne kadar Super-Kamiokande nötrino salınımı ile ilgili kanıtları 1998 gibi erken bir yılda yayınlayarak SNG'yi alt etmiş olsa da, Super-Kamiokande'nin sonuçları kesin ve güneş nötrinoları ile spesifik olarak alakalı değildi.
SNG'nin sonuçları ise güneş nötrinolarındaki salınımı kanıtlayan ilk sonuçlardı.
Bu sonuçlar, standart solar model açısından önemli sonuçlardı.
Bu deneyin sonuçları, SNG'nin iki araştırmasının 1500'den fazla kez ve başka iki araştırmasının da 750'den fazla kez alıntılanmasına dayanarak söylenebilir ki, bu alanda büyük bir etki yarattı.
2007 yılında Franklin Enstitüsü SNG'nin başkanı Arthur B. McDonald'ı Fizik alanında Benjamin Franklin Madalyası vererek ödüllendirdi.
2015 yılında ise Arthur B. McDonal nötrinoların kütleleri hakkındaki buluşu ile Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Diğer olası analizler
SNG detektörü devrede olduğu takdirde galaksimiz içerisinde oluşabilecek herhangi bir süpernovayı tespit edebilecek kapasitede.
Süpernova tarafından emilmiş nötrinolar fotonlardan önce bırakıldığından dolayı, süpernova henüz görünür olmadan astronomi topluluğunu uyarmak mümkün. SNG, Super-Kamiokande ve Yüksek Hacim Detektörü ile birlikte Süpernova Erken Uyarı Sisteminin (SEUS) kurucu üyelerindendir.
Bu zamana kadar herhangi bir süpernova tespit edilemedi.
SNG'nin deneyleri aynı zamanda kozmik ışınların atmosferdeki etkileşimleri ile üretilen atmosfer nötrinolarını da gözlemleyebilmektedir.
SNG detektörünün Super-Kamiokande ile karşılaştırıldığındaki kısıtlı boyutundan dolayı, düşük kozmik ışınlı nötrino sinyalleri,1 GeV'nin altındaki nötrino enerjileri, istatistiksel olarak çok önemli değildir.
Katılımcı kurumlar
Büyük parçacık fiziği deneyleri büyük işbirliği gerektirir. SNG, yaklaşık 100 ortak çalışan kurumla diğer çarpıştırıcı deneylerine göre küçük bir gruptu. Katılımcılar:
Kanada
Carleton Üniversitesi
Laurentian Üniversitesi
Queen's Üniversitesi kaynak yayılması için birçok kalibrasyon kaynağı ve aleti tasarlayıp inşa etti.
TRIUMF
British Columbia Üniversitesi
Guelph Üniversitesi
Artık ortak çalışan kurumların arasında olmamasına rağmen, Chalk River Laboratuvarları ağır suyu tutan akrilik tankın inşasını yönetti ve Atomic Energy of Canada Limited ise ağır suyu temin etti.
Birleşik Krallık
Oxford Üniversitesi Monte Carlo analiz programının büyük bir kısmını geliştirdi ve sürdürdü.
Amerika Birleşik Devletleri
LBNL Fotomultiper tüpleri tutan jeodezik yapının üretimini yönetti.
PNNL
LANL
Pennsylvania Üniversitesi Ön uç teknolojilerini ve tetiği tasarlayıp, inşa etti.
Washington Üniversitesi deneyin üçüncü aşamasında nötronların tespit edilmesinde kullanılan sayaç tüplerini tasarlayıp, inşa etti.
Brookhaven Ulusal Laboratuvarı
Austin Texas Üniversitesi
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü
Ödüller
Asteroit 14724 SNO SNG onuruna isimlendirildi.
Kasım 2006'da, tüm SNG takımı "Bilim ya da mühendislik alanında üstün ilerleme" için John C. Polanyi Ödülü'nü kazandı, Kanada.
SNG baş araştırmacısı Arthur B. McDonald ve Takaaki Kajita, nötrino salınımlarının keşfi için 2015 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
SNG diğer 4 nötrino deneyiyle birlikte 2016 Temel Fizik Ödülü'nü kazandı.