Hyper-Kamiokande: differenze tra le versioni

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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

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[[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 ( verso ) 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’ordine delle masse dei neutrini (ovvero se l’autostato di massa ν₃ è più leggero o più pesante di entrambi ν₁ e ν₂), che equivale a misurare il segno del parametro ∆m²₃₂, le oscillazioni di neutrini devono essere osservate mentre i neutrini attraversano la materia. Con il fascio di neutrini di HK (295 km, 0.6 GeV), gli [[Effetto Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein|effetti di materia]] sono piccoli. In aggiunta ai neutrini da acceleratore, l’esperimento HK è in grado di misurare i neutrini atmosferici, creati da [[raggi cosmici]] che interagiscono con l’atmosfera terrestre, producendo neutrini ed altre particelle. Questi neutrino sono prodotti ain tutti i punti del globo, per cui HK ha accesso a neutrino che hanno 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 neutrino atmosferici possono essere utilizzati per determinare il valore del segno del parametro ∆m²₃₂.<ref name="1805.04163"/>^:225–237

Infine l’analisi delle oscillazioni dei neutrino 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

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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 Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein|'effetto materia]].<ref name="1805.04163"/>^:238–244

* Misura della probabilità di sopravvivenza dei νeneutrini elettronici per energie di neutrini 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>{{cite journal| author = Maltoni, Michele and Smirnov, Alexei Yu.| date = Jul 19, 2015| title = Solar neutrinos and neutrino physics| arxiv = 1507.05287| url = https://inspirehep.net/literature/1383834| journal = Eur. Phys. J. A| volume = 52| number = 4| pages = 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>{{cite web| url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/research/| title= Hyper-Kamiokande website: Cosmic Neutrino Observation: Solar neutrinos}}</ref>

IInfine gli studi sui geoneutrini (i geoneutrini sono prodotti nei decadimenti dei [[Radionuclide|radionuclidi]] all'interno della Terra. Gli studi sui geoneutrini) 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 protonico ===

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

=== Rivelatore Cherenkov pera acquadistanza 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 fuori asseoff-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 fuori asseoff-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 fuori asseoff-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">{{cite web| url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/detector/| title=Hyper-Kamiokande website: Hyper-Kamiokande Detector}}</ref>

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

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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 almenocirca 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 almenocirca 3600 PMT di 8 centimetri di diametro accoppiati con piastre WLS ([[Wavelength shifter|Wavelength Shifting]]) di 0,6x30x30 cm3 (le piastre raccoglieranno i fotoni incidenti e li trasporteranno al loro PMT 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="hk_det"/><ref name="hk_photo">{{cite journal | author = Jan Kisiel (Silesia U.) for the Hyper-Kamiokande collaboration | date = Jun 28, 2023 | title = Photodetection and electronic system for the Hyper-Kamiokande Water Cherenkov detectors | url = https://inspirehep.net/literature/2675891 | journal = Nucl. Instrum. Meth. A | volume = 1055 | pages = 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 ]]