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">{{cita web|titolo=Hyper-Kamiokande website: Overview|url=https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/outline/}}</ref><ref>{{cita web|titolo=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">{{cita web|titolo=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">{{cita news|editore= Kamioka Observatory ICRR, The University of Tokyo |data=12 febbraio 2018 |titolo=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">{{cita web|titolo=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 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 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">{{Cita pubblicazione|autore=Francesca Di Lodovico (Queen Mary, U. of London) for the Hyper-Kamiokande collaboration|data=Sep 20, 2017|titolo=The Hyper-Kamiokande Experiment| url = https://inspirehep.net/literature/1625581|rivista=J. Phys. Conf. Ser.| volume = 888| numero = 1|ppp=012020| doi = 10.1088/1742-6596/888/1/012020|bibcode=2017JPhCS.888a2020D}}</ref>

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

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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 la [[gerarchia di 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 ∆m²₁₃, 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 Micheev-Smirnov-Wolfenstein|effetti di materia]] sono piccoli e quindi la sensibilità alla gerarchia di massa è ridotta. Hyper-Kamiokande avrà comunque una buona sensibilità alla gerarchia 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 dell'atmosfera, per cui arrivano ad Hyper-Kamiokande dopo aver 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 ∆m²₁₃.<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]]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>{{Cita pubblicazione|autore=the Hyper-Kamiokande collaboration|data=13 gennaio 2021|titolo=Supernova Model Discrimination with Hyper-Kamiokande| arxiv = 2101.05269| url = https://inspirehep.net/literature/1840585|rivista=Astrophys. J.| volume = 916| numero = 1|ppp=15| doi = 10.3847/1538-4357/abf7c4| bibcode = 2021ApJ...916...15A}}</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>{{Cita pubblicazione|cognome1= Yano|nome1=Takatomi|anno=2021|titolo=Prospects for neutrino astrophysics with Hyper-Kamiokande| url = https://inspirehep.net/literature/1930815|rivista=PoS| volume = ICRC2021| numero = |ppp=1193| doi = 10.22323/1.395.1193}}</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 Micheev-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>{{Cita pubblicazione|autore=Maltoni, Michele and Smirnov, Alexei Yu.|data=Jul 19, 2015|titolo=Solar neutrinos and neutrino physics| arxiv = 1507.05287| url = https://inspirehep.net/literature/1383834|rivista=Eur. Phys. J. A| volume = 52| numero = 4|ppp=87| doi = 10.1140/epja/i2016-16087-0}}</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>{{cita web|url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/research/|titolo=Hyper-Kamiokande website: Cosmic Neutrino Observation: Solar neutrinos}}</ref>

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[[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 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]]) da 0,6x30x30 cm3 (le piastre raccoglieranno i [[Fotone|fotoni]] incidenti e li trasporteranno al 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">{{Cita pubblicazione|autore=Jan Kisiel (Silesia U.) for the Hyper-Kamiokande collaboration |data=Jun 28, 2023 |titolo=Photodetection and electronic system for the Hyper-Kamiokande Water Cherenkov detectors | url = https://inspirehep.net/literature/2675891 |rivista=Nucl. Instrum. Meth. A | volume = 1055 |ppp=168482 | doi = 10.1016/j.nima.2023.168482| bibcode = 2023NIMPA105568482K }}</ref>

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

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Storia dell'esperimento Hyper-Kamiokande

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

* 2000: Il nome "Hyper-Kamiokande" viene utilizzato per la prima volta<ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Nakamura|nome=K.|titolo=HYPER-KAMIOKANDE: A next generation water Cherenkov detector for a nucleon decay experiment |url=https://inspirehep.net/literature/550304 |rivista=Part of Neutrino Oscillations and Their Origin. Proceedings, 1st Workshop, Fujiyoshida, Japan, February 11–13|pp=359–363359-363 |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 settembre 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>{{cita web|url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/news/detail/449|data=5 febbraio 2015|titolo=Hyper-Kamiokande website: The Inaugural Symposium of the Hyper-K Proto-Collaboration|città=Kashiwa, Japan}}</ref><ref>{{cita news|editore= CERN Courier |data=9 aprile 2015 |titolo=Proto-collaboration formed to promote Hyper-Kamiokande| url= https://cerncourier.com/a/proto-collaboration-formed-to-promote-hyper-kamiokande/}}</ref>

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<references />

* {{Cita pubblicazione|doi=10.1126/science.347.6222.598 |pmid=25657225|anno=2015|cognome1= Normile|nome1=D|titolo=Particle physics. Japanese neutrino physicists think really big|rivista=Science|volume=347|numero=6222|ppp=598}}

== Voci correlate ==