Hyper-Kamiokande: differenze tra le versioni

Versione delle 16:15, 12 mag 2024

Versione delle 17:46, 25 mag 2024

Riga 3:

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 [[Prefettura 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 [[Prefettura 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">{{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|pp=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.

== 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 θ₁₃) che governano il mixing fra stati di massa e sapore

Riga 23 ⟶ 21:

[[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 la [[Gerarchia di massa dei neutrini|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 perchè 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 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

Riga 30 ⟶ 28:

=== 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|pp=15| doi = 10.3847/1538-4357/abf7c4| bibcode = 2021ApJ...916...15A}}</ref>

Riga 44 ⟶ 41:

=== 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>{{Cita pubblicazione|autore1=K. S. Babu |autore2=E. Kearns |autore3=U. Al-Binni |titolo=Baryon Number Violation |rivista=Proceedings, 2013 Community Summer Study on the Future of U.S. Particle Physics: Snowmass on the Mississippi (CSS2013) |data=20 novembre 2013 |città=Minneapolis, MN, USA |arxiv = 1311.5285}}</ref>

Riga 62 ⟶ 58:

=== 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 dicembre 2014 |url=https://arxiv.org/abs/1412.3086|doi=10.48550/arXiv.1412.3086}}</ref><ref>{{cita web|autore=nuPRISM Collaboration |titolo=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 |data=7 luglio 2016 |accesso=1º aprile 2020 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20201202213200/https://j-parc.jp/researcher/Hadron/en/pac_1607/pdf/P61_2016-17.pdf |urlmorto= }}</ref><ref>{{cita web|autore1=Mark Hartz |titolo=Near Detectors for the Hyper-K Neutrino Experiment |url=https://indico.cern.ch/event/868940/contributions/3817119/ |sito=40th International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2020) |data=29 luglio 2020}}</ref><ref name="tau2023">{{cita web|autore1=Umut Kose (on behalf of the Hyper-Kamiokande Collaboration) |titolo=The Hyper-Kamiokande Experiment: Status and Prospect |url=https://indico.cern.ch/event/1303630/contributions/5620874/ |sito=The 17th International Workshop on Tau Lepton Physics (TAU2023) |data=7 dicembre 2023 |accesso=8 febbraio 2024}}</ref>

Riga 82 ⟶ 77:

== 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 Fisica]] 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"/>

Riga 88 ⟶ 83:

* 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>{{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=359–363 |anno=2000}}</ref>