薩德伯里微中子觀測站

薩德伯里微中子觀測站（英語：Sudbury Neutrino Observatory，縮寫為SNO）是位於加拿大安大略省薩德伯里2100米深的鎳礦中的微中子觀測站。因為對於微中子振盪的發現做出重大貢獻，SNO實驗主任阿瑟·麥克唐納榮獲2015年諾貝爾物理學獎。薩德伯里微中子觀測站的建立是為了要研究太陽微中子問題。觀測站的微中子探測器主要是用來探測太陽微中子，通過它們與重水的交互作用。探測器從1999年5月開始啟用，直到2006年11月為止。雖然探測器已停止運作，在未來數年中，SNO團隊仍會繼續分析在那段時期獲得的數據。現今（2015年），已被擴充的地下實驗室仍舊繼續被用來進行其它SNOLAB實驗。SNO的設備正在整修，準備未來用於SNO+實驗。

實驗動機

早於1960年代，就已有實驗獲得關於太陽微中子抵達地球的測量數據。在SNO實驗之前，所有實驗都只觀測到大約為標準太陽模型所預測的微中子數量的1/3至1/2。這效應被稱為太陽微中子問題。幾十年來，很多理論被提出來解釋這效應。其中一個是微中子振盪假說。

1984年，爾灣加州大學物理學教授赫伯特·陳最先指出，重水是製作太陽微中子探測器的優良材料。與其它先前探測器不同，使用重水為材料的探測器能夠感受到兩種反應，一種會感受到所有風味的微中子，另一種只會感受到電微中子，因此，這探測器可以直接測量微中子振盪。薩德伯里的科瑞頓礦井是全世界最深的礦之一，背景輻射非常低，因此很快地就被確認為安置赫伯特·陳所提議的實驗的理想地點。同年，SNO團隊舉行第一次會議。1990年，實驗計畫正式被批准。

在這實驗裏，當微中子與重水交互作用時，會出現相對論性電子以高速度移動經過重水，因契忍可夫效應而產生藍色光錐。微中子探測器可以直接探測到這藍色光波。

探測器細節

SNO探測器的主要部分是一個直徑12米的球形容器，裡面裝有1000噸重水，容器壁用丙烯酸脂製成，厚度為5厘米，在容器的外面有一個直徑17米的測地球，在測地球裏面安裝了9600個光電倍增管，用於探測契忍可夫輻射。為了給予浮力與輻射屏蔽，整個探測器浸泡在直徑22米34米高的裝滿普通水的圓柱形腔中，在全世界裏，這麼深的地下腔之中，這是最大的地下腔，為了預防岩爆，需要使用高功能錨杆支護技術。安裝在安大略省薩德伯里的科瑞頓礦井裏，深度達到2100米，這樣做的目的是利用地層對宇宙線進行屏蔽，以減輕干擾。

SNO的控制室與設備室都維持在潔淨室狀況。整個設施大部分維持在級別 3000標準的潔淨度，即尺寸不小於1 μm的粒子少於3000個每1 m³空氣；載有探測器的圓柱形腔維持在級別 1000標準的潔淨度。

電性流交互作用

在電性流交互作用裏，微中子將重氫裏的中子變為質子，並且釋出一個電子：

$\nu _{e}+d\to p+p+e$；

其中，$\nu _{e}$是電微中子，$d$是重氫，$p$是質子，$e$是電子。

太陽微中子的能量小於緲子與陶子的質量，因此只有電微中子能夠參與反應。釋出的電子會帶走微中子的大部分能量，由於這能量相當強大，電子會以相對論性速度被發射出來。由於這速度大於光子移動於水中的速度，因此會產生契忍可夫輻射，可以被光電倍增管探測到，而輻照度則與入射微中子的能量呈正比。釋出的電子朝著所有方向發射，但它們稍微比較青睞朝著微中子源的方向發射。標準太陽模型預言，SNO實驗每日大約會發生30個電性流事件。

中性流交互作用

在中性流交互作用裏，微中子離解了重氫，將其分裂成中子、質子：

$\nu _{x}+d\to p+n+\nu _{x}$；

其中，$\nu _{x}$是任意一種微中子，$n$是中子。

微中子因此會失去一些能量，但仍舊繼續存在。三種微中子參與這交互作用的可能性都相同。中子的捕獲截面會隨著中子的慢化而增加。隨著中子接連地散射於重水，中子的能量會降低，速度越來越慢，最終會被水的原子核捕獲，同時發射出伽瑪射線，其與電子發生散射，傳輸能量給電子，從而產生可被探測的契忍可夫輻射。慢化過程摧毀了所有能量資訊與方向資訊。SNO實驗發展出兩種方法來改善探測效率。一種方法使用氦-3正比計數器，另一種方法使用氯鹽。標準太陽模型預言，SNO實驗每日大約會發生30個中性流事件。

電子彈性散射

在電子彈性散射裏，微中子與束縛於原子裏的電子發生碰撞：

$\nu _{x}+e\to \nu _{x}+e$。

在這過程裏，微中子會傳輸給電子一些能量。所有三種微中子都能參與這交互作用，這是通過交換中性Z玻色子，電微中子也可通過交換電性W玻色子參與這交互作用，這使得電微中子的反應截面增加6至7倍。因此，電子彈性散射的主要參與者是電微中子。由於這交互作用就好似撞球的相對論性版本，生成的電子的移動方向通常會與微中子移動方向一樣（朝著遠離太陽的方向）。由於這種交互作用發生在束縛於原子的電子，它在重水與輕水都會發生。標準太陽模型預言，SNO實驗每日大約會發生3個電子散射事件。

實驗結果與影響

2001年6月18日，SNO首次發表科學結果，首先給出微中子振盪的明確證據。這結果意味著微中子的質量不等於零。SNO觀測到的所有微中子的總通量符合理論預言。之後，更多SNO實驗結果確定與改善原本結果。

雖然超級神岡探測器捷足先登，早在1998年就發表微中子振盪的證據，它的結果並非終極結果，並且不是專注於觀測太陽微中子。SNO的結果首先直接展示太陽微中子的震盪。對於標準太陽模型，這結果具有關鍵性作用。SNO發表的兩篇論文已被引用超過1,500 次，另外兩篇論文也已被引用超過750次，從此可以知悉SNO結果在這領域所造成的重大影響。2007年，富蘭克林學院頒授物理學的富蘭克林獎章給SNO主任阿瑟·麥克唐納由於「發現了微中子震盪，並因此證明了微中子具有質量」，麥克唐納分享2015 年諾貝爾物理學獎。

更多功能

當SNO探測器工作時，它可以探測到發生於銀河系內的超新星。由於微中子的釋出時間會比光子早很多，天文團體可以提早警覺到超新星光學事件將會發生。SNO是超新星早期預警系統（SNEWS）的創始成員之一。尚未發生任何超新星預警事件。

SNO實驗能夠觀測到宇宙射線與在大氣層產生的大氣微中子。與超級神岡探測器相比較，由於SNO探測器的尺寸大小比較有限，能量低於1 GeV的宇宙射線微中子信號不具有統計顯著性。

參閱

• 薩德伯里微中子觀測站實驗室
• SNO+

外部連結

• 薩德伯里微中子觀測站的官方網頁 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）