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维基百科:台湾教育专案/台大物理系服务学习/113-1/MINOS

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MINOS远侦测器的正面。左侧为控制室，右侧则为由 Joseph Giannetti所绘制之插画

Main injector neutrino oscillation search (MINOS)是一个目标为研究微中子振荡现象(1998年发现于超级神冈探测器 (Super-K)的实验中)的粒子物理实验。 其利用两个观测器来观察由芝加哥费米实验室的NuMI（英语：NuMI）产生的微中子束，其中一个观测器被置于微中子束产生处(称为the near detector“近侦测器”)，另一个大许多的观测器则置于离微中子源735公里的明尼苏达州 (称为the far detector“远侦测器”)。

MINOS实验自2005年开始侦测产生自NuMI（英语：NuMI）的中子束。2006年3月30日，MINOS实验团队宣布2005年收集的实验数据在经过分析后，和超级神冈探测器的参数一致，显示出微中子震荡的现象。[1]MINOS计画在2012年4月30日进行了最后一次实验。[2]之后，此实验在经过升级后，命名为MINOS+（英语：MINOS+），从2013年开始收集数据。[3] 最终，实验在2016年6月29日关机。[4]

探测器

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MINOS在费米实验室的大楼, 是MINOS地下大厅的入口，其中有近侦测器.[5]

实验中使用了两个探测器：

  • 近侦测器和远侦测器在设计上相似，但近侦测器具有较小的质量(980公吨)。他位于费米实验室内，距离和质子反应的石墨靶数百公尺，深度则为地面下100公尺左右。近侦测器在2004年完成安装。[6]
  • 远侦测器 的质量为5400公吨。他位于北明尼苏达州的苏丹矿坑（英语：Soudan mine），深716公尺的地面下。远侦测器从2003年便开始运作，在MINOS开始正式运作前就已在收集宇宙射线和微中子的数据。[6]

两个探测器皆是由磁化钢和塑胶闪烁器（英语：scintillator）构成的钢-闪烁器（英语：scintillator）取样热量计。磁场使缈子微中子在 弱交互作用 中产生的缈子路径弯曲，可用来分辨反应源自微中子或反微中子。这个设计使MINOS得以研究微中子和反微中子的CPT对称性。

微中子束

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NuMI目标大厅(左)，是NuMI隧道的起始点，背景则是主注射器。[7]

为了产生微中子束，费米实验室的主注射器将产生120 GeV的质子脉冲，并射向以水冷却的石墨靶。当质子束与石墨碰撞，产生的反应会产生π介子和K介子，两者皆会被磁场聚焦。在后续π介子和K介子的衰变中，将会产生 微中子，构成最终的 微中子束。在微中子束中，数量最多的是渺子微中子，还有小部分 电子微中子混杂其中。近侦测器是用来观察微中子束初始的通量和能量光谱。因为微中子几乎不和物质发生反应，所以大部分的渺子微中子会穿透近侦测器和734公里的岩层，到达远侦测器。在途中，约有20%的渺子微中子会发生振荡，变成其他风味。

物理目标和结果

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MINOS测量微中子束在近和远两座侦测器的能量分布与粒子组成，用来精确的测量方根能量差和 混合角。此外，MINOS也会观测电子微中子在远侦测器的出现情形，来测量渺子微中子振荡成为电子微中子的极限机率。

2006年7月29日，MINOS实验团队发表了一篇论文，给出了第一笔微中子震荡的观测资料，此资料是根据渺子微中子消失来判断的：Δm2
23 = 2.74+0.44
−0.26 × 10−3 eV2/c4 and sin2(2θ23) > 0.87 (信心水准68%)。[8][9] 2008年，借由更精确的实验数据 (包含第一笔数据，共3.36×1020 protons-on-target(POT))，得到更精确的碰撞参数： Δm2
23 = 2.43+0.13
−0.13 × 10−3 eV2/c4(信心水准68%)和sin2(2θ23) > 0.90 (信心水准90%).[10]

2011年，凭借比先前大至少两倍的实验样本(7.25×1020 protons-on-target)以及改进过的分析方法，测得新的振荡参数。参数分别为： Δm2
23 = 2.32+0.12
−0.08 × 10−3 eV2/c4和sin2(2θ23) > 0.90 (信心水准90%).[11]

此外，在2010和2011年，MINOS曾报告了微中子和反微中子在消失情形以及质量上的差异，违背了CPT对称。[12][13][14]然而，在获得更多实验数据后，MINOS在2012年重新评估了资料，发现微中子和反微中子在实验上不存在显著差异，CPT对称仍成立。[15][16]

MINOS也可用于侦测宇宙射线。根据远侦测器得到的观测结果，平流层的温度和高能宇宙射线有强烈的相关性。这是有纪录以来第一次，地下微中子侦测器测得之衍生宇宙射线的每日变化，和全球尺度的平流层气象现象（如平流层突发性增温与季节变化）展现出关联性。[17][18] 此外，MINOS的远侦测器也可以测量太阳与月球引起的宇宙射线衰减。[19]

微中子的速度

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主条目：Measurements of neutrino speed

2007年，在一个利用MINOS观测3 GeV微中子的实验中，测量到微中子之飞行速度为1.000051(29) c（68%信心水准），而采用99%信心水准时，速度则为0.999976 c至1.000126 c。在此实验中，微中子束的中心速度可能超过光速，然而，实验的不确定度太大使的这个实验不能排除微中子速度小于等于光速的可能。[20][21] 之后，MINOS的实验器在2012年升级后，修正了先前的实验结果，发现微中子抵达探测器的时间比同时间出发的光晚了−0.0006% (±0.0012%)的时间抵达，符合狭义相对论的预测。[22]

参考资料

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  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

外部链接

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