Hyper-Kamiokande: differenze tra le versioni

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[[File:HK experiment overview.jpg|thumb|Panoramica dell'esperimento Hyper-Kamiokande]]

'''Hyper-Kamiokande''' (chiamato anche '''Hyper-K''' o '''HK''') è un esperimento di [[Neutrino|neutrini]] in costruzione, condotto in [[Giappone]] dalla collaborazione di istituti di oltre 20 paesi di sei continenti.<ref name="hkoverview">{{citecita web|titletitolo=Hyper-Kamiokande website: Overview|url=https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/outline/}}</ref><ref>{{citecita web|titletitolo=Hyper-Kamiokande website: Collaboration Institutes|url=https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/collaboration/}}</ref> In [[Italia]] l'esperimento è finanziato dall'[[Istituto nazionale di fisica nucleare|Istituto Nazionale di Fisica Nucleare]]. Come successore degli esperimenti [[Super-Kamiokande]] (anche Super-K o SK) e [[T2K]]<ref name="T2KWebSite">{{citecita web|titletitolo=T2K website|url=https://t2k-experiment.org/}}</ref>, è progettato per cercare il [[Decadimento del protone|decadimento dei protoni]] e rilevare neutrini da fonti naturali come la Terra, l'atmosfera, il [[Problema dei neutrini solari|Sole]] e il cosmo, nonché per studiare [[Oscillazione del neutrino|le oscillazioni dei neutrini]] del fascio di neutrini da acceleratore.<ref name="1805.04163">{{Cita pubblicazione|autore=Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration|anno=2018|titolo=Hyper-Kamiokande Design Report|rivista=arXiv|lingua=inglese|doi=10.48550/arXiv.1805.04163|url=https://arxiv.org/abs/1805.04163}}</ref>^:6,20–28 L'inizio della raccolta dei dati è previsto per il 2027.<ref name="hkapproved">{{citecita news| publishereditore= Kamioka Observatory ICRR, The University of Tokyo | datedata= 12 Februaryfebbraio 2018 | titletitolo= Kamioka Observatory website: The Hyper-Kamiokande project is officially approved| url= https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/detail/300}}</ref>

L'esperimento Hyper-Kamiokande sarà situato in due luoghi:

* Il fascio di neutrini sarà prodotto nel complesso di acceleratori J-PARC<ref name="J-PARCWebSite">{{citecita web|titletitolo=J-PARC website|url=https://j-parc.jp/c/en/}}</ref> ({{Coord|36.445|N|140.606|E|source:kolossus-dewiki|display=inline}}) e studiato dall'insieme di rivelatori vicini e intermedi situati nel villaggio di [[Tōkai (Ibaraki)|Tōkai]], nella prefettura di [[Prefetturaprefettura di Ibaraki|Ibaraki]], sulla costa orientale del Giappone.<ref name="1805.04163"/>^:31 

* Il rivelatore principale, Hyper-Kamiokande (HK), è in costruzione sotto la vetta del monte Nijuugo nella città di [[Hida]], nella prefettura di [[Prefetturaprefettura di Gifu|Gifu]], nelle [[Alpi giapponesi]] {{coord|36|21|20.105|N|137|18|49.137|E|region:JP-21_type:landmark|display=title}}({{coord|36|21|20.105|N|137|18|49.137|E|region:JP-21_type:landmark|display=inline|notes=<ref name="1805.04163"/>^:56}}). Il rivelatore HK sarà utilizzato per la ricerca di decadimenti di protoni, per studi sui neutrini provenienti da sorgenti naturali e servirà come rivelatore lontano per la misura delle oscillazioni dal fascio di neutrini di J-PARC alla distanza corrispondente al primo massimo di oscillazione.<ref name="1805.04163"/>^:53–56<ref name="hk_lodovico">{{citeCita journalpubblicazione| author autore= Francesca Di Lodovico (Queen Mary, U. of London) for the Hyper-Kamiokande collaboration| date data= Sep 20, 2017| title titolo= The Hyper-Kamiokande Experiment| url = https://inspirehep.net/literature/1625581| journal rivista= J. Phys. Conf. Ser.| volume = 888| numbernumero = 1| pages p= 012020| doi = 10.1088/1742-6596/888/1/012020|bibcode=2017JPhCS.888a2020D|doi-access=free}}</ref>

Sia l’esperimento nel suo complesso che il rivelatore si chiamano con lo stesso nome.

== Programma di fisica ==

=== Oscillazioni di neutrino da acceleratore ed atmosferici ===

Le [[Oscillazione del neutrino|oscillazioni dei neutrini]] sono un fenomeno [[Meccanica quantistica|quanto meccanico]] nel quale i neutrini cambiano il loro [[Sapore (fisica)|sapore]] (gli stati di sapore sono [[Neutrino elettronico|{{Particella subatomica|Neutrino elettronico}}]], [[Neutrino muonico|{{Particella subatomica|Neutrino muonico}}]] e [[Neutrino tauonico|{{Particella subatomica|Neutrino tauonico}}]]) mentre si muovono, a causa del fatto che gli stati di sapore sono una miscela degli autostati di massa (ν₁, ν₂ e ν₃, con masse m₁, m₂ e m₃ rispettivamente). Le probabilità di oscillazione dipendono da sei parametri fenomenologici:

* Tre angoli di mixing (θ₁₂, θ₂₃ e θ ₁₃) che governano il mixing fra stati di massa e sapore

* Due differenze dei quadrati delle masse (∆m²₁₂ e ∆m²₃₂, dove ∆m²_ij = m²_i - m²_j)

* Una fase complessa (δ_CP) responsabile della asimmetria fra materia ed antimateria (violazione della simmetria di CP) nelle oscillazioni

e due parametri che sono ottimizzati per un particolare esperimento:

* L’energia del neutrino

* La distanza attraversata dai neutrini alla quale le oscillazioni sono misurate (baseline)<ref name="pdg">{{cite journalCita pubblicazione|authorautore=Particle Data Group and Workman |titletitolo=Review of Particle Physics |journalrivista=Progress of Theoretical and Experimental Physics |datedata=Augustagosto 2022 |volume=2022 |issuenumero=8 |pagespp=083C01 |doi=10.1093/ptep/ptac097|doi-access=free |hdl=11585/900713 |hdl-access=free }}</ref>^:285–311<ref name="1805.04163"/>^:20–23

Continuando gli studi effettuati dall’ dall'esperimento [[T2K]]<ref name="T2KWebSite">{{cite web|title=T2K website|url=https://t2k-experiment.org/}}</ref>, il rivelatore lontano HK misurerà gli spettri energetici dei neutrini elettronici e muonici nel fascio (prodotti a J-PARC come un fascio di neutrini muonici quasi del tutto puro) confrontandoli con le previsioni nel caso di assenza di oscillazioni, che sono inizialmente calcolate basandosi sul flusso di neutrini e i modelli di interazioni nucleari e raffinate dalle misure dei rivelatori vicini e intermedi (abbastanza vicini da non risentire delle oscillazioni). Per l’energia di picco del fascio di neutrini di HK/T2K (600 MeV), la distanza col rivelatore distante (295 km) corrisponde al primo massimo di oscillazione, calcolato sulle oscillazioni dei neutrini atmosferici e quindi con il loro ∆m²₃₂. Il fascio di neutrini di J-PARC sarà operato separatamente ottimizzando la produzione di neutrini ed antineutrini, ovvero le misure di oscillazione in ciascuno dei due modi fornirà informazioni sulla probabilità di sopravvivenza degli (anti)neutrini muonici (P_{{{Particella subatomica|Neutrino muonico}}→{{Particella subatomica|Neutrino muonico}}} e P_{{{Particella subatomica|Antineutrino muonico}}→{{Particella subatomica|Antineutrino muonico}}} rispettivamente) e la probabilità di apparizione degli (anti)neutrini elettronici (P_{{{Particella subatomica|Neutrino muonico}}→{{Particella subatomica|Neutrino elettronico}}} e P_{{{Particella subatomica|Antineutrino muonico}}→{{Particella subatomica|Antineutrino elettronico}}} rispettivamente), dove P_{ν_α→ν_β} è la probabilità che un neutrino originariamente di sapore α sia rivelato nel rivelatore lontano come un neutrino di sapore β.<ref name="1805.04163"/>^:202–224

[[File:Hk cp exclusion ability.png|thumb|Capacità di Hyper-K di escludere la conservazione di CP calcolata in funzione del valore vero di δ_CP]]

Il confronto delle probabilità di apparizione di neutrini ed antineutrini permette di misurare la fase δ_CP. I valori di δ_CP variano da −π a +π (da −180° a +180°), e i valori di 0 e ±π corrispondono alla conservazione della simmetria di CP. In 10 anni di presa dati, ci si aspetta che HK possa rivelare che la simmetria di CP sia violata nelle oscillazioni di neutrino ad un [[Intervallo di confidenza|livello di confidenza]] di 5σ, o meglio, per il 57% dei possibili valori di δ_CP. La violazione di CP è una delle [[Bariogenesi|condizioni]] necessarie per produrre l’eccesso di materia sull’antimateria nell’Universo primordiale, per cui il nostro Universo è costituito da sola materia. I neutrini da acceleratore saranno anche utilizzati per migliorare la precisione degli altri parametri di oscillazione |∆m²₃₂|, θ₂₃ e θ₁₃, come anche permetteranno studi sulle interazioni di neutrino con la materia.<ref name="1805.04163"/>^:202–224 

Per determinare l’ordinela delle[[gerarchia massedi massa dei neutrini]] (ovvero se l’autostato di massa ν₃ è più leggero o più pesante di ν₁ e ν₂), che equivale a misurare il segno del parametro ∆m²₃₂₁₃, le oscillazioni devono essere osservate mentre i neutrini attraversano la materia. Con il fascio di neutrini di HK (295 km, 0.6 GeV), gli [[Effetto MikheyevMicheev-Smirnov-Wolfenstein|effetti di materia]] sono piccoli e quindi la sensibilità alla gerarchia di massa è ridotta. InHyper-Kamiokande aggiuntaavrà aicomunque neutriniuna dabuona acceleratore,sensibilità l’esperimentoalla HKgerarchia di massa perché è in grado di misurare i neutrini atmosferici, creati da [[raggi cosmici]] che interagiscono con l’atmosferal’[[atmosfera terrestre]], producendo neutrini ed altre particelle. Questi neutrino sono prodotti in tutti i punti del globodell'atmosfera, per cui HKarrivano haad accessoHyper-Kamiokande a neutrini chedopo hannoaver viaggiato attraverso una grande varietà di distanze attraverso la materia (da poche centinaia di metri fino al [[Raggio terrestre|diametro della Terra]]). Questi campioni di neutrini atmosferici possono essere utilizzati per determinare il valore del segno del parametro ∆m²₃₂₁₃.<ref name="1805.04163"/>^:225–237

Infine l’analisi delle oscillazioni dei neutrini da acceleratore ed atmosferici può fornire la misura più sensibile dei parametri δ_CP, |∆m²₃₂|, [[Funzione segno|segno]] di ∆m²₃₂, θ₂₃ e θ₁₃.<ref name="1805.04163"/>^:228–233

=== Astronomia di neutrini e geoneutrini ===

Le esplosioni di [[Supernova|supernovaesupernova]]e core-collapse producono grandi quantità di neutrini. Ci si aspettano da 10 a 16 eventi di neutrini in HK per l’esplosione di una supernova nella [[Galassia di Andromeda|galassia Andromeda]]. Per una supernova galattica a una distanza di 10 [[Parsec|kpc]] sono previste circa 50000-94000 interazioni di neutrini in poche decine di secondi. Per [[Betelgeuse]] alla distanza di 0,2 kpc, ci si attendono fino a 10⁸ interazioni al secondo e una frequenza di eventi richiede una apposita progettazione del sistema di [[elettronica]] e [[acquisizione dati]] (DAQ) del rivelatore, in modo che nessun dato possa andare perso. Nel caso di una esplosione galattica i profili temporali del numero di eventi registrati a HK e la loro energia media consentirebbero di testare i diversi modelli di esplosione. Le informazioni direzionali dei neutrini nel rivelatore lontano HK possono fornire un allarme precoce per l'osservazione elettromagnetica della supernova e possono essere utilizzate in altre osservazioni [[Astronomia multi-messaggio|multi-messaggero]].<ref name="1805.04163"/>^:263–280<ref>{{citeCita journalpubblicazione| author autore= the Hyper-Kamiokande collaboration| date data=13 Jan 13,gennaio 2021| title titolo= Supernova Model Discrimination with Hyper-Kamiokande| arxiv = 2101.05269| url = https://inspirehep.net/literature/1840585| journal rivista= Astrophys. J.| volume = 916| numbernumero = 1| pages p= 15| doi = 10.3847/1538-4357/abf7c4| bibcode = 2021ApJ...916...15A| doi-access = free}}</ref>

I neutrini prodotti cumulativamente dalle esplosioni di supernova nel corso della storia dell'universo sono chiamati neutrini relici di supernova (SRN) o fondo di neutrini di supernova diffusa (DSNB) e trasportano informazioni sulla storia della [[formazione stellare]]. Il loro basso flusso (poche decine/cm²/sec.) non ha ancora permesso la loro scoperta. Con dieci anni di raccolta dati, si prevede che HK potrà rilevare circa 40 eventi SRN nell'intervallo di energia 16-30 MeV.<ref name="1805.04163"/>^:276–280<ref>{{citeCita journalpubblicazione| last1 cognome1= Yano| first1 nome1= Takatomi| year anno= 2021| title titolo= Prospects for neutrino astrophysics with Hyper-Kamiokande| url = https://inspirehep.net/literature/1930815| journal rivista= PoS| volume = ICRC2021| issuenumero = | pages p= 1193| doi = 10.22323/1.395.1193| doi-access = free| hdl = 20.500.11850/589619| hdl-access = free}}</ref>

Le esplosioni di [[Supernova|supernovae]] core-collapse producono grandi quantità di neutrini. Ci si aspettano da 10 a 16 eventi di neutrini in HK per l’esplosione di una supernova nella [[Galassia di Andromeda|galassia Andromeda]]. Per una supernova galattica a una distanza di 10 [[Parsec|kpc]] sono previste circa 50000-94000 interazioni di neutrini in poche decine di secondi. Per [[Betelgeuse]] alla distanza di 0,2 kpc, ci si attendono fino a 10⁸ interazioni al secondo e una frequenza di eventi richiede una apposita progettazione del sistema di [[elettronica]] e [[acquisizione dati]] (DAQ) del rivelatore, in modo che nessun dato possa andare perso. Nel caso di una esplosione galattica i profili temporali del numero di eventi registrati a HK e la loro energia media consentirebbero di testare i diversi modelli di esplosione. Le informazioni direzionali dei neutrini nel rivelatore lontano HK possono fornire un allarme precoce per l'osservazione elettromagnetica della supernova e possono essere utilizzate in altre osservazioni [[Astronomia multi-messaggio|multi-messaggero]].<ref name="1805.04163"/>^:263–280<ref>{{cite journal| author = the Hyper-Kamiokande collaboration| date = Jan 13, 2021| title = Supernova Model Discrimination with Hyper-Kamiokande| arxiv = 2101.05269| url = https://inspirehep.net/literature/1840585| journal = Astrophys. J.| volume = 916| number = 1| pages = 15| doi = 10.3847/1538-4357/abf7c4| bibcode = 2021ApJ...916...15A| doi-access = free}}</ref>

I neutrini prodotti cumulativamente dalle esplosioni di supernova nel corso della storia dell'universo sono chiamati neutrini relici di supernova (SRN) o fondo di neutrini di supernova diffusa (DSNB) e trasportano informazioni sulla storia della formazione stellare. Il loro basso flusso (poche decine/cm²/sec.) non ha ancora permesso la loro scoperta. Con dieci anni di raccolta dati, si prevede che HK potrà rilevare circa 40 eventi SRN nell'intervallo di energia 16-30 MeV.<ref name="1805.04163"/>^:276–280<ref>{{cite journal| last1 = Yano| first1 = Takatomi| year = 2021| title = Prospects for neutrino astrophysics with Hyper-Kamiokande| url = https://inspirehep.net/literature/1930815| journal = PoS| volume = ICRC2021| issue = | pages = 1193| doi = 10.22323/1.395.1193| doi-access = free| hdl = 20.500.11850/589619| hdl-access = free}}</ref>

Per i ν_e solari, gli obiettivi dell'esperimento HK sono:

* Ricerca di un'asimmetria giorno-notte nel flusso di neutrini, risultante dalle diverse distanze percorse nella materia (durante la notte i neutrini attraversano tutta la Terra prima di entrare nel rivelatore) e quindi dalle diverse probabilità di oscillazione causate dall '[[Effetto MikheyevMicheev-Smirnov-Wolfenstein|'effetto materia]].<ref name="1805.04163"/>^:238–244

* Misura della probabilità di sopravvivenza dei neutrini elettronici per energie comprese tra 2 e 7 MeV – cioè tra regioni dominate rispettivamente da oscillazioni nel [[Vuoto (fisica)|vuoto]] e oscillazioni nella materia – che è sensibile a modelli di nuova fisica, come [[Neutrino sterile|neutrini sterili]] o interazioni non standard.<ref name="1805.04163"/>^:238–244<ref>{{citeCita journalpubblicazione| author autore= Maltoni, Michele and Smirnov, Alexei Yu.| date data= Jul 19, 2015| title titolo= Solar neutrinos and neutrino physics| arxiv = 1507.05287| url = https://inspirehep.net/literature/1383834| journal rivista= Eur. Phys. J. A| volume = 52| numbernumero = 4| pages p= 87| doi = 10.1140/epja/i2016-16087-0| s2cid = 254115998}}</ref>

* La prima osservazione dei neutrini del ciclo hep: <math>{^3}\text{He} + \text{p} \to {^4}\text{He} + \text{e}^{+} + \operatorname{\nu}_\text{e}</math> predetto dal [[modello solare standard]].<ref name="1805.04163"/>^:238–244

* Confronto del flusso di neutrini con l'attività solare (ad esempio il [[Ciclo undecennale dell'attività solare|ciclo solare di 11 anni]]).<ref>{{citecita web| url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/research/| titletitolo= Hyper-Kamiokande website: Cosmic Neutrino Observation: Solar neutrinos}}</ref>

Infine gli studi sui geoneutrini (i geoneutrini sono prodotti nei decadimenti dei [[Radionuclide|radionuclidi]] all'interno della Terra) di Hyper-Kamiokande aiuteranno a valutare la composizione chimica del [[Struttura interna della Terra|nucleo terrestre]], che è collegata alla generazione del [[campo geomagnetico]].<ref name="1805.04163"/>^:292–293

=== Decadimento dei protoni ===

Il [[Decadimento del protone|decadimento]] di un [[protone]] in [[Particella subatomica|particelle subatomiche]] più leggere non è mai stato osservato, ma è previsto da alcune [[Teoria della grande unificazione|teorie della grande unificazione]] (GUT) e risulta dalla violazione del [[numero barionico]] (B). La [[Asimmetria barionica|violazione B]] è una delle condizioni necessarie per spiegare la predominanza della [[Materia (fisica)|materia]] sull'[[antimateria]] nell'[[Universo]]. I principali canali studiati da HK sono <math>p^+\to e^+ + \pi^0</math>, che è favorito da molti modelli GUT, e <math>p^+\to \bar\nu + K^+</math>, previsto da alcuni modelli teorici tra cui la [[supersimmetria]]. Dopo dieci anni di acquisizione dati, (nel caso in cui non si osservi alcun decadimento) si prevede che HK aumenti il limite inferiore della [[Decadimento esponenziale#Vita media|vita media]] del protone da <math>1.6\times 10^{34}</math> a <math>6.3\times 10^{34}</math> anni per il suo canale di decadimento più sensibile (<math>p^+\to e^+ + \pi^0</math>) e da <math>0.7\times 10^{34}</math> a <math>2.0\times 10^{34}</math> anni per il canale <math>p^+\to \bar\nu + K^+</math>.<ref name="1805.04163"/>^{:26–28,245–257}<ref>{{Cite journalCita pubblicazione|author1 autore1= K. S. Babu | author2 autore2= E. Kearns |author3 autore3= U. Al-Binni | display-authorstitolo=2 |title = Baryon Number Violation |journal rivista= Proceedings, 2013 Community Summer Study on the Future of U.S. Particle Physics: Snowmass on the Mississippi (CSS2013) |date data=20 novembre 2013-11-20 |___location città= Minneapolis, MN, USA |arxiv = 1311.5285}}</ref>

Il [[Decadimento del protone|decadimento]] di un [[protone]] in [[Particella subatomica|particelle subatomiche]] più leggere non è mai stato osservato, ma è previsto da alcune [[Teoria della grande unificazione|teorie della grande unificazione]] (GUT) e risulta dalla violazione del [[numero barionico]] (B). La [[Asimmetria barionica|violazione B]] è una delle condizioni necessarie per spiegare la predominanza della [[Materia (fisica)|materia]] sull'[[antimateria]] nell'[[Universo]]. I principali canali studiati da HK sono <math>p^+\to e^+ + \pi^0</math>, che è favorito da molti modelli GUT, e <math>p^+\to \bar\nu + K^+</math>, previsto da alcuni modelli teorici tra cui la [[supersimmetria]]. Dopo dieci anni di acquisizione dati, (nel caso in cui non si osservi alcun decadimento) si prevede che HK aumenti il limite inferiore della [[Decadimento esponenziale#Vita media|vita media]] del protone da <math>1.6\times 10^{34}</math> a <math>6.3\times 10^{34}</math> anni per il suo canale di decadimento più sensibile (<math>p^+\to e^+ + \pi^0</math>) e da <math>0.7\times 10^{34}</math> a <math>2.0\times 10^{34}</math> anni per il canale <math>p^+\to \bar\nu + K^+</math>.<ref name="1805.04163"/>^{:26–28,245–257}<ref>{{Cite journal |author1 = K. S. Babu | author2 = E. Kearns |author3 = U. Al-Binni | display-authors=2 |title = Baryon Number Violation |journal = Proceedings, 2013 Community Summer Study on the Future of U.S. Particle Physics: Snowmass on the Mississippi (CSS2013) |date = 2013-11-20 |___location = Minneapolis, MN, USA |arxiv = 1311.5285}}</ref>

=== Materia oscura ===

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== Descrizione dell'esperimento ==

L'esperimento Hyper-Kamiokande consiste in un fascio di neutrini da acceleratore, un insieme di rivelatori vicini, il rivelatore intermedio e il rivelatore lontano (chiamato anche Hyper-Kamiokande). Prima dell’inizio dell'esperimento HK, l'esperimento T2K terminerà la raccolta dei dati e HK prenderà il controllo della sua linea di fascio di neutrini e del set di rivelatori vicini, mentre i rivelatori intermedi e lontani dovranno essere ricostruiti ex novo.<ref name="panic2021">{{citecita web |last1cognome1=Vilela |first1nome1=Cristovao |titletitolo=The status of T2K and Hyper-Kamiokande experiments |url=https://indico.lip.pt/event/592/contributions/3550/ |websitesito=PANIC 2021 Conference |datedata=Septembersettembre 5–10, 2021 |access-dateaccesso=2021-09-29 |archive-date=settembre 2021-09-29 |archive-urlurlarchivio=https://web.archive.org/web/20210929161023/https://indico.lip.pt/event/592/contributions/3550/ |url-statusurlmorto=live }}</ref>

=== Fascio di Neutrini ===

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Verranno riutilizzati i [[T2K#Rivelatori vicini (Near detectors, ND)|rivelatori vicini di T2K]].

[[File:Numu flux iwcd.png|thumb| Il flusso di neutrini muonici al rivelatore intermedio IWCD per diversi angoli off-axis]]

[[File:Nue flux iwcd.png|thumb| Il flusso di neutrini elettronici al rivelatore intermedio IWCD per diversi angoli off-axis]]

=== Rivelatore Cherenkov a distanza intermedia (IWCD) ===

L'Intermediate Water Cherenkov Detector (IWCD) sarà situato a una distanza di circa 750 metri dal luogo di produzione dei neutrini. Si tratterà di un cilindro riempito d'acqua di 10 metri di diametro e 50 metri di altezza con una struttura alta 10 metri equipaggiata con circa 400 rivelatori multi-PMT (mPMT), ciascuno costituito da diciannove tubi [[Fotomoltiplicatore|fotomoltiplicatori]] (PMT) da 8 centimetri di diametro incapsulati in un recipiente impermeabile. La struttura sarà spostata in direzione verticale da un sistema di gru, fornendo misure delle interazioni dei neutrini a diversi angoli off-axis (angoli rispetto al centro del fascio di neutrini), che vanno da 1° in basso a 4° in alto, e quindi per diversi spettri di energia dei neutrini<ref group="note">L'energia media dei neutrini diminuisce con la deviazione dall'asse del fascio.</ref>. [[Combinazione lineare|Combinando]] i risultati da diversi angoli off-axis, è possibile estrarre i risultati per lo spettro quasi monoenergetico dei neutrini senza fare affidamento su modelli teorici per ricostruire l'energia dei neutrini. L'utilizzo dello stesso tipo di rivelatore del rivelatore lontano con quasi la stessa accettazione angolare ed energetica consente di confrontare i risultati di questi due rivelatori senza quasi fare affidamento sulle simulazioni di risposta del rivelatore. Questi due fatti, l'indipendenza dall'interazione dei neutrini e i modelli di risposta del rivelatore, consentiranno a HK di ridurre al minimo l'errore sistematico nell'analisi dell'oscillazione. Ulteriori vantaggi di IWCD è la possibilità di cercare modelli di [[Oscillazione del neutrino|oscillazione]] [[Neutrino sterile|sterili]] per diversi angoli off-axis e la possibilità di ottenere un campione più esteso di interazioni di [[Neutrino elettronico|neutrini elettronici]], la cui frazione è maggiore per angoli off-axis più grandi.<ref name="1805.04163"/>^:47–50<ref>{{Cita pubblicazione |autore=nuPRISM Collaboration |titolo=Letter of Intent to Construct a nuPRISM Detector in the J-PARC Neutrino Beamline|rivista=arXiv|lingua=inglese|data=13 Decemberdicembre 2014 |url=https://arxiv.org/abs/1412.3086|doi=10.48550/arXiv.1412.3086}}</ref><ref>{{citecita web |authorautore=nuPRISM Collaboration |titletitolo=Proposal for the NuPRISM Experiment in the J-PARC Neutrino Beamline |url=https://j-parc.jp/researcher/Hadron/en/pac_1607/pdf/P61_2016-17.pdf |datedata=7 Julyluglio 2016 |access-dateaccesso=1º Aprilaprile 2020 |archive-date=2 December 2020 |archive-urlurlarchivio=https://web.archive.org/web/20201202213200/https://j-parc.jp/researcher/Hadron/en/pac_1607/pdf/P61_2016-17.pdf |url-statusurlmorto=live }}</ref><ref>{{citecita web |author1autore1=Mark Hartz |titletitolo= Near Detectors for the Hyper-K Neutrino Experiment |url=https://indico.cern.ch/event/868940/contributions/3817119/ |websitesito=40th International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2020) |datedata=2020-07-29 luglio 2020}}</ref><ref name="tau2023">{{citecita web |author1autore1=Umut Kose (on behalf of the Hyper-Kamiokande Collaboration) |titletitolo=The Hyper-Kamiokande Experiment: Status and Prospect |url=https://indico.cern.ch/event/1303630/contributions/5620874/ |websitesito=The 17th International Workshop on Tau Lepton Physics (TAU2023) |datedata=7 dicembre 2023-12-07 |access-dateaccesso=8 febbraio 2024-02-08}}</ref>

L'Intermediate Water Cherenkov Detector (IWCD) sarà situato a una distanza di circa 750 metri dal luogo di produzione dei neutrini. Si tratterà di un cilindro riempito d'acqua di 10 metri di diametro e 50 metri di altezza con una struttura alta 10 metri equipaggiata con circa 400 rivelatori multi-PMT (mPMT), ciascuno costituito da diciannove tubi [[Fotomoltiplicatore|fotomoltiplicatori]] (PMT) da 8 centimetri di diametro incapsulati in un recipiente impermeabile. La struttura sarà spostata in direzione verticale da un sistema di gru, fornendo misure delle interazioni dei neutrini a diversi angoli off-axis (angoli rispetto al centro del fascio di neutrini), che vanno da 1° in basso a 4° in alto, e quindi per diversi spettri di energia dei neutrini<ref group="note">L'energia media dei neutrini diminuisce con la deviazione dall'asse del fascio.</ref>. [[Combinazione lineare|Combinando]] i risultati da diversi angoli off-axis, è possibile estrarre i risultati per lo spettro quasi monoenergetico dei neutrini senza fare affidamento su modelli teorici per ricostruire l'energia dei neutrini. L'utilizzo dello stesso tipo di rivelatore del rivelatore lontano con quasi la stessa accettazione angolare ed energetica consente di confrontare i risultati di questi due rivelatori senza quasi fare affidamento sulle simulazioni di risposta del rivelatore. Questi due fatti, l'indipendenza dall'interazione dei neutrini e i modelli di risposta del rivelatore, consentiranno a HK di ridurre al minimo l'errore sistematico nell'analisi dell'oscillazione. Ulteriori vantaggi di IWCD è la possibilità di cercare modelli di [[Oscillazione del neutrino|oscillazione]] [[Neutrino sterile|sterili]] per diversi angoli off-axis e la possibilità di ottenere un campione più esteso di interazioni di [[Neutrino elettronico|neutrini elettronici]], la cui frazione è maggiore per angoli off-axis più grandi.<ref name="1805.04163"/>^:47–50<ref>{{Cita pubblicazione |autore=nuPRISM Collaboration |titolo=Letter of Intent to Construct a nuPRISM Detector in the J-PARC Neutrino Beamline|rivista=arXiv|lingua=inglese|data=13 December 2014 |url=https://arxiv.org/abs/1412.3086|doi=10.48550/arXiv.1412.3086}}</ref><ref>{{cite web |author=nuPRISM Collaboration |title=Proposal for the NuPRISM Experiment in the J-PARC Neutrino Beamline |url=https://j-parc.jp/researcher/Hadron/en/pac_1607/pdf/P61_2016-17.pdf |date=7 July 2016 |access-date=1 April 2020 |archive-date=2 December 2020 |archive-url=https://web.archive.org/web/20201202213200/https://j-parc.jp/researcher/Hadron/en/pac_1607/pdf/P61_2016-17.pdf |url-status=live }}</ref><ref>{{cite web |author1=Mark Hartz |title= Near Detectors for the Hyper-K Neutrino Experiment |url=https://indico.cern.ch/event/868940/contributions/3817119/ |website=40th International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2020) |date=2020-07-29}}</ref><ref name="tau2023">{{cite web |author1=Umut Kose (on behalf of the Hyper-Kamiokande Collaboration) |title=The Hyper-Kamiokande Experiment: Status and Prospect |url=https://indico.cern.ch/event/1303630/contributions/5620874/ |website=The 17th International Workshop on Tau Lepton Physics (TAU2023) |date=2023-12-07 |access-date=2024-02-08}}</ref>

=== Il rivelatore Hyper-Kamiokande ===

[[File:Hyper-Kamiokande scheme.png|thumb|Schema del rivelatore Hyper-Kamiokande]]

Il rivelatore Hyper-Kamiokande sarà costruito 650 metri sotto la vetta del monte Nijuugo nella miniera di Tochibora, 8 chilometri a sud del rivelatore [[Super-Kamiokande]] (SK). Entrambi i rivelatori si troveranno allo stesso angolo off-axis (2,5°) rispetto al centro del fascio di neutrini e alla stessa distanza (295 chilometri) dal luogo di produzione del fascio di [[J-PARC]].<ref group="note">Il rivelatore Super-Kamiokande funge da rivelatore lontano per l'analisi delle oscillazioni di neutrino dell'esperimento T2K. Tuttavia, Super-Kamiokande è anche un esperimento separato per quanto riguarda la ricerca di decadimenti di protoni e lo studio di neutrini da sorgenti naturali.</ref><ref name="1805.04163"/>^:35<ref name="hk_det">{{citecita web| url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/detector/| titletitolo=Hyper-Kamiokande website: Hyper-Kamiokande Detector}}</ref>

[[File:HK ID PMT.jpg|thumb|Modello dimostrativo del rivelatore interno di HK con i fototubi R12860]]

[[File:MPMTPrototipo prototypecompleto for HK detectorpiccola.pngjpg|thumbminiatura|Prototipo di un mPMT per il rivelatore interno di Hyper-Kamiokande]]

[[File:HK mPMT scheme.jpg|thumb|Schema di un mPMT per il rivelatore interno di Hyper-Kamiokande ]]

[[File:HK OD PMT.jpg|thumb|Fototubo da 8cm e WLS (Wavelength-Shifting Fiber) per il rivelatore esterno di Hyper-Kamiokande ]]

HK sarà un rivelatore [[Effetto Čerenkov|Cherenkov]] ad [[acqua]], 5 volte più grande (258 kton d'acqua) del rivelatore SK. Sarà un serbatoio [[Cilindro (geometria)|cilindrico]] di 68 metri di diametro e 71 metri di altezza. Il volume di HK sarà suddiviso in Inner Detector (ID) e Outer Detector (OD) da una struttura cilindrica larga 60 cm, con il bordo esterno posizionato a 1 metro di distanza dalle pareti verticali e a 2 metri di distanza dalle pareti orizzontali del cilindro. La struttura separerà otticamente l'ID dall'OD e conterrà i [[Fotomoltiplicatore|fotomoltiplicatori]] (PMT) che guardano sia verso l'interno verso l'ID che verso l'esterno verso l'OD. Nell'ID, ci saranno circa 20000 tubi fotomoltiplicatori (PMT) di 50 centimetri di diametro di tipo R12860 di Hamamatsu Photonics e circa 800 moduli multi-PMT (mPMT). Ogni modulo mPMT è costituito da diciannove tubi fotomoltiplicatori da 8 centimetri di diametro incapsulati in un recipiente impermeabile. L'Outer Detector sarà equipaggiato con circa 3600 PMT di 8 centimetri di diametro accoppiati con piastre WLS ([[Wavelength shifter|Wavelength Shifting]]) dida 0,6x30x30 cm3 (le piastre raccoglieranno i [[Fotone|fotoni]] incidenti e li trasporteranno al loro PMT loro accoppiato) e servirà come veto<ref group="note">Il veto fa parte di un rivelatore in cui nessuna attività deve essere registrata per accettare un evento. Questo requisito consente di limitare il numero di eventi di fondo in un campione selezionato.</ref> per distinguere le interazioni che avvengono all'interno del rivelatore dalle particelle che entrano dall'esterno (principalmente muoni di [[raggi cosmici]]).<ref name="tau2023"/><ref name="hk_det"/><ref name="hk_photo">{{cite journalCita pubblicazione| author autore= Jan Kisiel (Silesia U.) for the Hyper-Kamiokande collaboration | date data= Jun 28, 2023 | title titolo= Photodetection and electronic system for the Hyper-Kamiokande Water Cherenkov detectors | url = https://inspirehep.net/literature/2675891 | journal rivista= Nucl. Instrum. Meth. A | volume = 1055 | pages p= 168482 | doi = 10.1016/j.nima.2023.168482| bibcode = 2023NIMPA105568482K | doi-access = free }}</ref><ref name="tau2023"/>

[[File:J-PARC neutrino beam Japan to Korea.png|thumb|Fascio di neutrini dal Giappone alla Corea ]]

La costruzione del rivelatore HK è iniziata nel 2020 e l'inizio della raccolta dei dati è previsto per il 2027.<ref name="1805.04163"/><ref name="hkapproved"/><ref name="panic2021"/>^:24 Sono stati inoltre intrapresi studi sulla fattibilità e sui benefici fisici della costruzione di un secondo rivelatore in [[Corea del Sud]], a circa 1100 km da J-PARC, che sarebbepotrebbe essere operativo 6 anni dopo il primo serbatoiorivelatore.<ref name="hk_lodovico"/><ref name="second_tank_korea">{{citeCita journalpubblicazione| authorautore=Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration| date data=20 June 20,giugno 2019 | title titolo= Physics potentials with the second Hyper-Kamiokande detector in Korea | url = https://academic.oup.com/ptep/article/2018/6/063C01/5041972 | journal rivista= Progress of Theoretical and Experimental Physics | volume = 2018 | issuenumero = 6 | pages pp= 063C01 | eprint =1611.06118 | doi = 10.1093/ptep/pty044}}</ref>

== Storia e programma temporale ==

[[File:Hyper-Kamiokande detector construction schedule.png|thumb|Diagramma del programma temporale di HK]]

Storia dei rivelatori Cherenkov ad acqua di grandi dimensioni in Giappone e degli esperimenti di oscillazione dei neutrini a lunga linea di base ad essi associati, esclusa HK.

* 1983-1996: [[Kamiokande]] (Kamioka Nucleon Decay Experiment), il cui obiettivo principale era la ricerca del [[Decadimento del protone|decadimento protonico]] - il predecessore di [[Super-Kamiokande]] insignito con il [[Premio Nobel per la fisica|Premio Nobel della fisicaFisica]] nel 2002<ref name="hkoverview"/>

* 1996-oggi: esperimento [[Super-Kamiokande]] - il predecessore dell'esperimento Hyper-Kamiokande, studiando i neutrini da fonti naturali e cercando il decadimento del protone insignito con il [[Premio Nobel per la fisica|Premio Nobel della Fisica]] del 2015<ref name="hkoverview"/>

* 1999-2004: esperimento [[K2K]] – il predecessore dell' esperimento T2K

* 2010-oggi: esperimento [[T2K]] – il predecessore dell'esperimento Hyper-Kamiokande, che studia le oscillazioni dei neutrini dell'acceleratore

Storia dell'esperimento Hyper-Kamiokande

* Settembre 1999: Presentate le prime idee del nuovo esperimento<ref>{{citecita conferenceconferenza|lastcognome=Shiozawa|firstnome=M.|titletitolo=Study of 1-Megaton water Cherenkov detectors for the future proton decay search|datedata=23–25 September 1999|book-titleopera=AIP Conf.Proc. 533 (2000) 1, 21–24|doi=10.1063/1.1361719|___locationcittà= Stony Brook, NY, United States|conferenceconferenza=International Workshop on Next Generation Nucleon Decay and Neutrino Detector (NNN99)}}</ref>

* 2000: Il nome "Hyper-Kamiokande" viene utilizzato per la prima volta<ref>{{cite journalCita pubblicazione|lastcognome=Nakamura|firstnome=K.|titletitolo=HYPER-KAMIOKANDE: A next generation water Cherenkov detector for a nucleon decay experiment |url=https://inspirehep.net/literature/550304 |journal rivista=Part of Neutrino Oscillations and Their Origin. Proceedings, 1st Workshop, Fujiyoshida, Japan, February 11–13|pages pp=359–363359-363 |year anno=2000}}</ref>

* Settembre 2011: sottomissione [[lettera di intenti]]<ref>{{Cita pubblicazione |autore=K. Abe et al. |titolo=Letter of Intent: The Hyper-Kamiokande Experiment --- Detector Design and Physics Potential ---|rivista=arXiv |data=15 Septembersettembre 2011| doi=10.48550/arXiv.1109.3262 | url=https://arxiv.org/abs/1109.3262}}</ref>

* Gennaio 2015: [[Memorandum d'intesa|Protocollo d'intesa]] per la cooperazione nel progetto Hyper-Kamiokande firmato da due istituzioni ospitanti: ICRR e [[KEK (centro di ricerca)|KEK]]. Formazione della proto-collaborazione Hyper-Kamiokande<ref>{{citecita web| url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/news/detail/449| datedata=5 February 5,febbraio 2015| titletitolo=Hyper-Kamiokande website: The Inaugural Symposium of the Hyper-K Proto-Collaboration| ___location città= Kashiwa, Japan}}</ref><ref>{{citecita news| publishereditore= CERN Courier | datedata= 9 Aprilaprile 2015 | titletitolo= Proto-collaboration formed to promote Hyper-Kamiokande| url= https://cerncourier.com/a/proto-collaboration-formed-to-promote-hyper-kamiokande/}}</ref>

* Maggio 2018: Hyper-Kamiokande Design Report<ref name="1805.04163"/>

* Settembre 2018: Finanziamento iniziale dal MEXT assegnato nel 2019<ref>{{citecita news| publishereditore= CERN Courier | datedata= 28 Septembersettembre 2018 | titletitolo= Hyper-Kamiokande construction to start in 2020| url= https://cerncourier.com/a/hyper-kamiokande-construction-to-start-in-2020/}}</ref>

* Febbraio 2020: Il progetto è stato ufficialmente approvato da [[Dieta nazionale del Giappone|Japanese Diet]]<ref name="hkapproved"/>

* Giugno 2020: Formazione della collaborazione Hyper-Kamiokande

* Maggio 2021: Inizio dello scavo del tunnel di accesso al rilevatore HK<ref>{{citecita news| publishereditore= The University of Tokyo | datedata= 28 Maymaggio 2021 | titletitolo= Groundbreaking ceremony for Hyper-Kamiokande held in Hida, Japan | url= https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/articles/z0208_00113.html}}</ref>

* 2021: Inizio della produzione di massa dei tubi fotomoltiplicatori<ref>{{cite bookCita libro|last1cognome1=Itow, on behalf of the Hyper-Kamiokande Collaboration |first1nome1=Y. |titletitolo=Proceedings of 37th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2021) |chaptercapitolo=Construction status and prospects of the Hyper-Kamiokande project |yearanno=2021 |pagep=1192 |publishereditore=Proceedings of Science|doi=10.22323/1.395.1192 |s2cid=199687331 |doi-access=free }}</ref>

* Febbraio 2022: Completamento della costruzione del tunnel di accesso<ref>{{citecita web |titletitolo=Hyper-Kamiokande experiment; Excavation of the gigantic underground cavern has finally begun |url=https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/detail/684}}</ref>

* Ottobre 2023: Completamento della sezione della cupola della caverna principale del rivelatore HK<ref>{{citecita web| url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/detail/738| datedata= 11 Octoberottobre 2023| titletitolo=Kamioka Observatory website: Completion of the main cavern dome section of the Hyper-Kamiokande experiment}}</ref>

* 2027: L'inizio previsto della raccolta dei dati<ref name="hkapproved"/>

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== Bibliografia ==

<references />

{{reflist}}

* {{citeCita journalpubblicazione|doi=10.1126/science.347.6222.598 |pmid=25657225|year anno= 2015|last1 cognome1= Normile|first1 nome1= D|title titolo= Particle physics. Japanese neutrino physicists think really big|journalrivista=Science|volume=347|issuenumero=6222|pagesp=598}}

== Voci correlate ==

* [[Super-Kamiokande]]

* [[T2K]]

== Altri progetti ==

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* [https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/ Hyper-Kamiokande website]

{{portale|fisica}}

[[Categoria:Osservatori di neutrini]]

[[Categoria:Osservatori astronomici del Giappone]]

[[Categoria:OsservatoriEsperimenti disui neutrini]]

[[Categoria:Neutrini]]