巨大的探测器正准备从超新星中捕获中微子

进入超级卡莫卡地下中微子天文台的少数幸运儿中，有11万只巨眼橙色眼睛——这是迄今为止世界上同类中微子探测器中最大的一个。很少有机会看到这些光传感器，因为它们通常浸泡在5万吨的纯水中。然而，1月份完成的Super-K的重大改造为这座宏伟的科学大教堂提供了难得的机会。

从60年到1月的十多年里，作为11亿日元(1000万美元)改造的一部分，水首次从探测器中排出。此外，升级将使Super-K能够捕获远程超新星发出的中微子，这些中微子在衰老的恒星因自身重量而坍塌时会爆炸。天文学家希望这些数据能够更好地了解宇宙中超新星的历史——但是它们发出的中微子很难找到。

“每隔2-3秒钟，一颗超新星就会在宇宙的某个地方消失，产生1058个中微子，”雅行中川昭一说，他领导着由和美国领导的国际合作组织Super-K。东京大学的物理学家中川昭一说，随着升级，探测器应该能够每月计算一些这样的“遗迹”中微子。

Super-K位于中部Hida附近的一座山下1000米处。在内部，水分子捕获从太阳和大气流经地面的中微子，或者从数百公里外的粒子加速器发射的中微子。今年晚些时候，天文台将在水中加入稀土金属钆。这将使探测器能够更好地区分不同类型或“口味”的中微子及其反粒子——反中微子。

1987年，超级K较小的前身卡莫卡探测器探测到超新星中的第一个中微子。十几个中微子来自超新星1987A，它发生在大麦哲伦星云中，这是一个围绕银河系运行的小星系。主要实验者小柴昌俊分享了2002年诺贝尔物理学奖，部分原因是这一发现。但是从那以后，没有中微子与超新星联系在一起。

大多数太阳中微子通过高速撞击水分子中的电子来暴露自己，从而产生微弱的光(这是Super-K的“眼睛”看到的)。但是其他中微子——尤其是构成大量超新星发射的反中微子——与原子核中的质子而不是电子相互作用。这种碰撞释放出中子、正电子和电子的反物质版本。探测器很难区分正电子信号和太阳中微子的电子信号。但是当被另一个原子核捕获时，中子会产生自己的特征——一种伽马射线。

新力量

当捕获这些杂散中子时，钆原子核比水的氢或氧原子核更有效，它们产生的伽马射线更容易被Super-K作为另一个闪光探测到。因此，当反中微子击中时，Super-K不会看到一个闪光，而是两个相隔几微秒的闪光。

哥伦布州立大学的理论天体物理学家约翰比科姆和喀什地区卡弗利宇宙物理与数学研究所的Super K实验学家马克阴道斯提出了在Super中加入钆的想法。-21世纪初的K。钆曾用于较小的中微子实验，但从未用于水探测器。

比肯姆说：“刚开始的时候，和我们交谈过的每个人都给我们列出了十个不可能的原因。阴道说，最大的挑战是检测器水是否可以连续过滤以去除杂质，而不去除钆。他领导了长达十年的努力来证明这一想法的可行性，包括建造一个价值600万美元的中微子探测器，该探测器被称为探测系统行动(EGADS)来评估钆。这项工作的一个关键部分是需要发明一种新型的水系统。

到2015年，Beacom和阴道已经说服合作，将钆纳入下一次升级。改造的那部分非正式地叫做钆反中子探测器，它是超古老的，超自然的，超越了神马坎德！(GADZOOKS！)，包括感叹号。(和Egads一样，Gadzooks在超级英雄漫画中经常被用来表达惊喜。)

超级K取得了巨大的成功。1998年，手术开始两年后，探测器提供了第一个确凿的证据，证明中微子和反中微子可以在三种味道之间“振荡”或循环。这一发现迫使理论家修改了粒子物理的标准模型——宇宙粒子和力的解释——并提出了一系列新问题。(梶田隆章，中海田的同事，超级K的前领导人，因发现中微子振荡而获得2015年诺贝尔物理学奖。)

剑桥麻省理工学院的中微子物理学家珍妮特康拉德说：“超K对粒子物理的影响，如果不比LHC更有影响力的话，那就是欧洲粒子物理研究所发现的希格斯玻色子对撞机。”

“我很高兴Super-K现在使用钆兴奋剂。我认为物理非常令人兴奋，”康拉德说。“我也很高兴和我的朋友马克阴道和约翰比肯姆在一起。很多人说，这种做法有很多原因。”

超级K

即使Super-K再次启动，物理学家也在推动一个更大的兄弟名为Hyper-Kamiokande。东京大学已经投资了550亿日元。

项目，现在研究人员正在等待国家政府是否会资助它。预计8月份会做出决定。

“我们的目标是在两年内开始Hyper-K建设，然后在2027年左右开始运营，”项目负责人Masato Shiozawa说，他是该大学的物理学家，也是Super-K合作的长期成员。

Hyper-K的水箱可容纳260,000吨水，是Super-K的五倍多。它的超大尺寸会使它在探测超新星方面更加有效，但它也应该有助于它研究另一个宇宙之谜：为什么宇宙看起来主要由物质构成，周围几乎没有反物质。

理论家们说，理解这种差异的关键一步是测量中微子和反中微子之间的不对称性，特别是反中微子在三种口味中循环的速度与中微子之间的差异。Super-K已经看到了这种差异的强烈暗示，使用从粒子加速器射穿地壳的中微子，但Hyper-K能够进行更精确的测量。