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维基百科:臺灣教育專案/臺大物理系服務學習/113-1/MINOS

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MINOS遠偵測器的正面。左側為控制室，右側則為由 Joseph Giannetti所繪製之插畫

Main injector neutrino oscillation search (MINOS)是一個目標為研究微中子振盪現象(1998年發現於超級神岡探測器 (Super-K)的實驗中)的粒子物理實驗。 其利用兩個觀測器來觀察由芝加哥費米實驗室的NuMI（英语：NuMI）產生的微中子束，其中一個觀測器被置於微中子束產生處(稱為the near detector「近偵測器」)，另一個大許多的觀測器則置於離微中子源735公里的明尼蘇達州 (稱為the far detector「遠偵測器」)。

MINOS實驗自2005年開始偵測產生自NuMI（英语：NuMI）的中子束。2006年3月30日，MINOS實驗團隊宣布2005年收集的實驗數據在經過分析後，和超級神岡探測器的參數一致，顯示出微中子震盪的現象。[1]MINOS計畫在2012年4月30日進行了最後一次實驗。[2]之後，此實驗在經過升級後，命名為MINOS+（英语：MINOS+），從2013年開始收集數據。[3] 最終，實驗在2016年6月29日關機。[4]

探測器

 
MINOS在費米實驗室的大樓, 是MINOS地下大廳的入口，其中有近偵測器.[5]

實驗中使用了兩個探測器：

  • 近偵測器和遠偵測器在設計上相似，但近偵測器具有較小的質量(980公噸)。他位於費米實驗室內，距離和質子反應的石墨靶數百公尺，深度則為地面下100公尺左右。近偵測器在2004年完成安裝。[6]
  • 遠偵測器 的質量為5400公噸。他位於北明尼蘇達州的蘇丹礦坑（英语：Soudan mine），深716公尺的地面下。遠偵測器從2003年便開始運作，在MINOS開始正式運作前就已在收集宇宙射線和微中子的數據。[6]

兩個探測器皆是由磁化鋼和塑膠閃爍器（英语：scintillator）構成的鋼-閃爍器（英语：scintillator）取樣熱量計。磁場使緲子微中子在 弱交互作用 中產生的緲子路徑彎曲，可用來分辨反應來源自微中子或反微中子。這個設計使MINOS得以研究微中子和反微中子的CPT對稱破缺。

微中子束

 
NuMI目標大廳(左)，是NuMI隧道的起始點，背景則是主注射器。[7]

為了產生微中子束，120 GeV的質子脈衝將由費米實驗室的主注射器發射向以水冷卻的石墨靶。當質子束與石墨碰撞，產生的反應會產生π介子和K介子，兩者皆會被磁場聚焦。在後續π介子和K介子的衰變中，將會產生 微中子，構成最終的 微中子束。在微中子束中，數量最多的是渺子微中子，還有小部分 電子微中子混雜其中。近偵測器是用來觀察微中子束初始的通量和能量光譜。因為微中子幾乎不和物質發生反應，所以大部分的渺子微中子會穿透近偵測器和734公里的岩層，到達遠偵測器。在途中，約有20%的渺子微中子會發生振盪，變成其他風味。

物理目標和結果

MINOS測量微中子束在近和遠兩座偵測器的能量分布與粒子組成，用來精確的測量方根能量差和 混合角。此外，MINOS也會觀測電子微中子在遠偵測器的出現情形，來測量渺子微中子振盪成為電子微中子的極限機率。

2006年7月29日，MINOS實驗團隊發表了一篇論文，給出了第一筆根據渺子微中子消失判斷的微中子振盪觀測資料：Δm2
23 = 2.74+0.44
−0.26 × 10−3 eV2/c4 and sin2(2θ23) > 0.87 (信心水準68%)。[8][9] 2008年，藉由更精確的實驗數據 (包含第一筆數據，共3.36×1020 protons-on-target(POT))，得到更精確的碰撞參數： Δm2
23 = 2.43+0.13
−0.13 × 10−3 eV2/c4(信心水準68%)和sin2(2θ23) > 0.90 (信心水準90%).[10]

2011年，憑藉比先前大至少兩倍的實驗樣本(7.25×1020 protons-on-target)以及改進過的分析方法，振盪參數的測量得到進一步更新。參數分別為： Δm2
23 = 2.32+0.12
−0.08 × 10−3 eV2/c4和sin2(2θ23) > 0.90 (信心水準90%).[11]

此外，在2010和2011年，MINOS曾報告了微中子和反微中子在消失情形以及質量上的差異，違背了CPT對稱。[12][13][14]然而，在獲得更多實驗數據後，MINOS在2012年重新評估了資料，發現兩者不存在顯著差異。[15][16]

MINOS也可用於偵測宇宙射線。根據遠偵測器得到的觀測結果，平流層的溫度和觀測到高能宇宙射線有強烈的相關性。這是有紀錄以來第一次，地下微中子偵測器測得之衍生宇宙射線的每日變化和全球尺度的平流層氣象現象（如平流層突發性增溫與季節變化）展現出關聯性。[17][18] 此外，MINOS的遠偵測器也可以測量太陽與月球引起的宇宙射線衰減。[19]

微中子的速度

主条目：Measurements of neutrino speed

2007年，在一個利用MINOS觀測3 GeV微中子的實驗中，測量到微中子之飛行速度為1.000051(29) c（68%信心水準），而採用99%信心水準時，速度則為0.999976 c至1.000126 c。在此實驗中，微中子束的中心速度可能超過光速，然而，實驗的不確定度太大使的這個實驗不能排除微中子速度小於等於光速的可能。[20][21] 之後，MINOS的實驗器在2012年升級後，修正了先前的實驗結果並且發現微中子抵達探測器的時間，比同時間出發的光晚了−0.0006% (±0.0012%)的時間抵達，符合狹義相對論的預測。[22]

參考資料

  1. ^ MINOS experiment sheds light on mystery of neutrino disappearance (新闻稿). 30 March 2006 [2009-08-03]. （原始内容存档于19 September 2007）. 
  2. ^ de Jong, Jeffrey. 'Final' MINOS Results (PDF). 12 September 2012 [13 December 2012]. 
  3. ^ Tzanankos, G; et al. MINOS+: a Proposal to FNAL to run MINOS with the medium energy NuMI beam (PDF). Fermilab-Proposal-1016. 2011. 
  4. ^ Olmstead, Molly. Fermilab bids a fond farewell to MINOS. Fermi National Accelerator Lab. 2016-08-01 [16 May 2017]. 
  5. ^ Basu, Paroma. Physicists Say Multi-million Dollar Experiment Advancing Smoothly. Wisconsin Online. 30 March 2006 [14 August 2015]. 
  6. ^ 6.0 6.1 D.G. Michael; et al. The magnetized steel and scintillator calorimeters of the MINOS experiment. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2008, 596 (2): 190–228. 
  7. ^ Site map of NuMI/MINOS. Fermilab. [14 August 2015]. 
  8. ^ D.G. Michael; et al. Observation of muon neutrino disappearance with the MINOS detectors in the NuMI neutrino beam. Physical Review Letters. 2006, 97 (19): 191801. Bibcode:2006PhRvL..97s1801M. PMID 17155614. S2CID 119458915. arXiv:hep-ex/0607088  . doi:10.1103/PhysRevLett.97.191801. 
  9. ^ P. Adamson; et al. Study of muon neutrino disappearance using the Fermilab Main Injector neutrino beam. Physical Review D. 2008, 77 (7): 072002. Bibcode:2008PhRvD..77g2002A. S2CID 5626908. arXiv:0711.0769  . doi:10.1103/PhysRevD.77.072002. 
  10. ^ P. Adamson; et al. Measurement of neutrino oscillations with the MINOS detectors in the NuMI beam. Physical Review Letters. 2008, 101 (13): 131802. Bibcode:2008PhRvL.101m1802A. PMID 18851439. S2CID 1036381. arXiv:0806.2237  . doi:10.1103/PhysRevLett.101.131802. 
  11. ^ P. Adamson; et al. Measurement of the neutrino mass splitting and flavor mixing by MINOS. Physical Review Letters. 2011, 106 (18): 181801. Bibcode:2011PhRvL.106r1801A. PMID 21635083. S2CID 2264842. arXiv:1103.0340  . doi:10.1103/PhysRevLett.106.181801. 
  12. ^ New measurements from Fermilab's MINOS experiment suggest a difference in a key property of neutrinos and antineutrinos. Fermilab press release. June 14, 2010 [14 December 2011]. 
  13. ^ MINOS Collaboration. First Direct Observation of Muon Antineutrino Disappearance. Physical Review Letters. 2011, 107 (2): 021801. Bibcode:2011PhRvL.107b1801A. PMID 21797594. S2CID 14782259. arXiv:1104.0344  . doi:10.1103/PhysRevLett.107.021801. 
  14. ^ MINOS Collaboration. Search for the disappearance of muon antineutrinos in the NuMI neutrino beam. Physical Review D. 2011, 84 (7): 071103. Bibcode:2011PhRvD..84g1103A. S2CID 6250231. arXiv:1108.1509  . doi:10.1103/PhysRevD.84.071103. 
  15. ^ Fermilab experiment announces world's best measurement of key property of neutrinos. Fermilab press release. June 5, 2012 [June 20, 2012]. 
  16. ^ MINOS Collaboration. An improved measurement of muon antineutrino disappearance in MINOS. Physical Review Letters. 2012, 108 (19): 191801. Bibcode:2012PhRvL.108s1801A. PMID 23003026. S2CID 7735148. arXiv:1202.2772  . doi:10.1103/PhysRevLett.108.191801. 
  17. ^ Osprey, S.; Barnett, J.; Smith, J.; the MINOS Collaboration. Sudden stratospheric warmings seen in MINOS deep underground muon data (PDF). Geophysical Research Letters. 7 March 2009, 36 (5): L05809. Bibcode:2009GeoRL..36.5809O. S2CID 13986839. doi:10.1029/2008GL036359. 
  18. ^ Adamson, P.; et al. Observation of muon intensity variations by season with the MINOS far detector. Physical Review D. 1 January 2010, 81 (1): 012001. Bibcode:2010PhRvD..81a2001A. S2CID 119126084. arXiv:0909.4012  . doi:10.1103/PhysRevD.81.012001. 
  19. ^ Adamson, P.; et al. Observation in the MINOS far detector of the shadowing of cosmic rays by the sun and moon. Astroparticle Physics. 2011, 34 (6): 457–466. Bibcode:2011APh....34..457A. S2CID 119225041. arXiv:1008.1719  . doi:10.1016/j.astropartphys.2010.10.010. 
  20. ^ P. Adamson et al. (MINOS Collaboration). Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam. Physical Review D. 2007, 76 (7): 072005. Bibcode:2007PhRvD..76g2005A. S2CID 14358300. arXiv:0706.0437  . doi:10.1103/PhysRevD.76.072005. 
  21. ^ D. Overbye. Tiny neutrinos may have broken cosmic speed limit. New York Times. 22 September 2011. That group found, although with less precision, that the neutrino speeds were consistent with the speed of light. 
  22. ^ MINOS reports new measurement of neutrino velocity. Fermilab today. June 8, 2012 [June 8, 2012]. 

47°49′12″N 92°14′30″W / 47.82000°N 92.24167°W / 47.82000; -92.24167

外部連結

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