mały|upright=1.2|Schemat eksperymentu Hyper-Kamiokande
Hyper-Kamiokande (w skrócie Hyper-K lub HK) to obserwatorium oraz eksperyment neutrinowy, obecnie w trakcie budowy, w miejscowościach Hida (Gifu) i Tōkai (Ibaraki) w Japonii. Projekt Hyper-K jest prowadzony przez Uniwersytet Tokijski i japoński ośrodek badawczy KEK (ang. The High Energy Accelerator Research Organization) we współpracy z instytutami z ponad 20 krajów z sześciu kontynentów. Jako następca eksperymentu Super-Kamiokande (w skrócie Super-K lub SK) i eksperymentu T2K, HK został zaprojektowany do poszukiwania rozpadu protonu i wykrywania neutrin ze źródeł naturalnych, takich jak Ziemia, atmosfera, Słońce i kosmos, a także do badania oscylacji neutrin z wytworzonej przez człowieka wiązki neutrin akceleratorowych. Rozpoczęcie zbierania danych planowane jest na rok 2028.
Obiekty wykorzystywane przez eksperyment Hyper-Kamiokande będą się znajdować w dwóch miejscach: Wiązka neutrin będzie wytwarzana w kompleksie akceleratorów J-PARC (ang. Japan Proton Accelerator Research Complex, ) i badana przez układ bliskich detektorów oraz pośredni detektor, wszystkie zlokalizowane w miejscowości Tōkai, w prefekturze Ibaraki, na wschodnim wybrzeżu Japonii. Główny detektor, również nazywający się Hyper-Kamiokande (HK), jest obecnie budowany pod szczytem góry Nijuugo w mieście Hida, w prefekturze Gifu, w Alpach Japońskich (). Detektor HK będzie wykorzystywany do poszukiwań rozpadu protonu, badań neutrin ze źródeł naturalnych, a także będzie służył jako daleki detektor do pomiaru oscylacji wiązki neutrin akceleratorowych w odległości odpowiadającej pierwszemu maksimum oscylacji.
Cele badawcze Oscylacje neutrin akceleratorowych i atmosferycznych Oscylacje neutrin są zjawiskiem kwantowo-mechanicznym, w którym neutrina zmieniają swój zapach (stany zapachowe neutrin: νe, νμ, ντ) podczas propagacji w przestrzeni, co wynika z faktu, że stany zapachowe neutrin są mieszaniną stanów masowych neutrin (stany masowe: ν1, ν2, ν3, o masach odpowiednio m1, m2, m3). Prawdopodobieństwo oscylacji zależy od sześciu parametrów teoretycznych: trzech kątów mieszania (θ12, θ23 i θ 13) opisujących mieszanie stanów masowych i zapachowych, dwóch różnic kwadratów mas (∆m221 i ∆m232, gdzie ∆m2ij = m2i - m2j) jednej fazy (δCP) odpowiedzialnej za asymetrię między materią i antymaterią (łamanie symetrii CP) w oscylacjach neutrin, oraz dwóch parametrów eksperymentalnych: energii neutrin odległości przebywanej przez neutrina (tzw. bazy), na której mierzone są oscylacje.
Kontynuując badania prowadzone przez eksperyment T2K, daleki detektor HK będzie mierzyć widma energetyczne neutrin elektronowych i mionowych w wiązce wytwarzanej w J-PARC jako prawie czysta wiązka neutrin mionowych. Widma te zostaną porównane z oczekiwaniami w przypadku braku oscylacji, wstępnie obliczonymi na podstawie modeli strumienia i oddziaływań neutrin i doprecyzowanymi dzięki pomiarom wykonanym przez detektory bliskie i pośredni. Prawdopodobieństwo oscylacji neutrin w funkcji ich energii zostanie wyznaczone na podstawie różnicy między zmierzoną a oczekiwaną liczbą neutrin danego zapachu.
Szczytowa energia wiązki neutrin HK/T2K (600 MeV) i odległość między J-PARC a detektorem HK/SK (295 km) odpowiada pierwszemu maksimum oscylacji dla oscylacji wynikających głównie z różnicy kwadratów mas ∆m232 (∆m221 jest mniej istotna w tym przypadku). Wiązka neutrin z J-PARC będzie produkowana osobno w trybie neutrinowym i antyneutrinowym (ang. neutrino- and antineutrino-enhanced modes), w których będzie głównie zawierać odpowiednio albo neutrina mionowe albo antyneutrina mionowe. Dzięki temu pomiary neutrin w trybie (anty)neutrinowym dostarczą informacji o prawdopodobieństwie zanikania (anty)neutrin mionowych Pνμ→νμ (Pμ→μ) oraz pojawianiu się (anty)neutrin elektronowych Pνμ→νe (Pμ→e), gdzie Pνα→νβ jest prawdopodobieństwem, że neutrino pierwotnie o zapachu α zostanie później zaobserwowane jako będące w stanie zapachowym β.
mały| Zdolność Hyper-K do wykluczenia zachowania CP w funkcji prawdziwej wartości δCP
Porównanie prawdopodobieństw pojawiania się neutrin i antyneutrin elektronowych (Pνμ→νe i Pμ→e) pozwala zmierzyć fazę δCP. Zakres δCP wynosi od -π do π (od -180° do 180°), a 0 i ±π odpowiadają zachowaniu symetrii CP. Oczekuje się, że po 10 latach zbierania danych HK potwierdzi na poziomie ufności 5σ lub więcej, czy symetria CP jest naruszana w oscylacjach neutrin dla 57% możliwych wartości δCP. Naruszenie symetrii CP jest jednym z warunków niezbędnych do wytworzenia nadmiaru materii nad antymaterią we wczesnym Wszechświecie, który to nadmiar obecnie tworzy nasz zbudowany z materii Wszechświat. Neutrina akceleratorowe zostaną również wykorzystane do zwiększenia precyzji innych parametrów oscylacyjnych |∆m232|, θ23 i θ13, a także do badań oddziaływań neutrin.
Aby określić hierarchię mas neutrin (czy stan własny masy ν3 jest lżejszy czy cięższy od stanów masowych ν1 i ν2), lub równoważnie nieznany znak parametru ∆m232, oscylacje neutrin muszą być obserwowane w materii (tzw. efekt materii, ang. matter effect). W przypadku wiązki neutrin z ośrodka J-PARC, odległość przebywana przez neutrina w materii (295 km) jest na tyle krótka, że efekt materii jest niewielki. Oprócz neutrin z wiązki, eksperyment HK bada neutrina atmosferyczne, powstające w wyniku zderzeń promieni kosmicznych z atmosferą Ziemi, wytwarzających neutrina i inne produkty uboczne. Neutrina te są wytwarzane we wszystkich punktach wokół kuli ziemskiej, co oznacza, że HK ma dostęp do neutrin, które przebyły szeroki zakres odległości przez materię (od kilkuset metrów do średnicy Ziemi). Te próbki neutrin mogą być wykorzystane do określenia hierarchii mas neutrin.
Połączona analiza neutrin z wiązki i neutrin atmosferycznych maksymalizuje czułość eksperymentu HK na parametry oscylacji δCP, |∆m232|, ∆m232, θ23 i θ13.
Astronomia neutrin i geoneutrina Wybuchy supernowych wytwarzają ogromne ilości neutrin. Dla supernowej w galaktyce Andromedy, oczekuje się 10 do 16 oddziaływań neutrin w dalekim detektorze HK. W przypadku supernowej galaktycznej (znajdującej się wewnątrz naszej galaktyki) w odległości 10 kpc, w detektorze HK w ciągu kilkudziesięciu sekund spodziewanych jest około 50 000 do 94 000 oddziaływań neutrin. Dla Betelgezy w odległości 0,2 kpc wskaźnik ten może osiągnąć nawet 108 oddziaływań na sekundę i taką liczbę zdarzeń uwzględniono przy projektowaniu elektroniki oraz systemu akwizycji danych (DAQ, ang. data acquisition) detektora. Profile czasowe liczby zdarzeń zarejestrowanych w dalekim detektorze HK oraz ich średniej energii umożliwiłyby przetestowanie różnych modeli eksplozji supernowych.
Informacje o kierunkach neutrin w dalekim detektorze HK mogą stanowić wczesne ostrzeżenie dla elektromagnetycznych obserwacji supernowych, a także mogą zostać wykorzystane w innych obserwacjach obejmujących wielu "posłańców" (tzw. astronomia wieloaspektowa lub wielozakresowa, ang. multi-messenger astronomy), takich jak promieniowanie elektromagnetyczne, fale grawitacyjne, promieniowanie kosmiczne.
Neutrina wytworzone łącznie w wyniku eksplozji supernowych na przestrzeni całej historii Wszechświata nazywane są neutrinami z reliktowych supernowych (SRN, ang. supernova relic neutrinos) lub rozproszonym tłem neutrin z supernowych (DSNB, ang. diffuse supernova neutrino background) i niosą informacje o historii powstawania gwiazd. Ze względu na niewielki strumień (kilkadziesiąt neutrin /cm2 /sek.) nie zostały jeszcze odkryte. Oczekuje się, że w ciągu dziesięciu lat zbierania danych HK zarejestruje około 40 zdarzeń SRN dla zakresu energii 16–30 MeV.
Dla νe słonecznych, cele eksperymentu HK to m.in.: Poszukiwanie asymetrii dzień–noc w strumieniu neutrin – wynikającej z różnych odległości pokonywanych w materii (w nocy neutrina dodatkowo przemierzają Ziemię przed wejściem do detektora), a tym samym różnych prawdopodobieństw oscylacji spowodowanych efektem Mikheyeva–Smirnova–Wolfensteina (MSW)Efekt Mikheyeva–Smirnova–Wolfensteina (MSW), po angielsku zwany też "matter effect", opisuje zmiany w prawdopodobieństwach oscylacji neutrin poruszających się w materii względem prawdopodobieństwa oscylacji w próżni.. Pomiar prawdopodobieństwa zanikania νe dla energii neutrin od 2 do 7 MeV – tj. pomiędzy obszarami zdominowanymi odpowiednio przez oscylacje w próżni i oscylacje w materii – które jest wrażliwy na nowe modele fizyczne, takie jak sterylne neutrina lub niestandardowe oddziaływania. Pierwsza obserwacja neutrin z kanału hep: przewidywanego przez Standardowy Model Słońca. Porównanie strumienia neutrin z aktywnością Słońca (np. 11-letni cykl słoneczny).
Geoneutrina powstają w wyniku rozpadów radionuklidów wewnątrz Ziemi. Badania geoneutrin w Hyper-Kamiokande pomogą ocenić skład chemiczny jądra Ziemi, który jest związany z generowaniem pola geomagnetycznego.
Rozpad protonu Rozpad swobodnego protonu na lżejsze cząstki subatomowe jeszcze nigdy nie został zaobserwowany, ale jest on przewidywany przez niektóre teorie wielkiej unifikacji (GUT, ang. grand unified theories) i wynika z łamania prawa zachowania liczby barionowej (B). Niezachowanie B to jeden z warunków niezbędnych do wyjaśnienia przewagi materii nad antymaterią we Wszechświecie. Główne kanały badane przez HK to preferowany przez wiele modeli GUT i przewidywany przez teorie zawierające supersymetrię. Po dziesięciu latach zbierania danych oczekuje się, że (w razie braku obserwacji rozpadu) HK zwiększy dolną granicę średniego czasu życia protonu z do lat dla swojego najbardziej czułego kanału rozpadu () i z do lat dla kanału .
Ciemna materia Ciemna materia to hipotetyczna, nieświecąca forma materii, zaproponowana w celu wyjaśnienia licznych obserwacji astronomicznych sugerujących istnienie dodatkowej niewidzialnej masy w galaktykach. Jeśli cząstki ciemnej materii oddziałują słabo, mogą wytworzyć neutrina w wyniku anihilacji lub rozpadu. Neutrina te mogą być widoczne w detektorze HK jako nadmiar neutrin z kierunku dużych potencjałów grawitacyjnych, takich jak Centrum Galaktyki, Słońce czy Ziemia, w stosunku do izotropowego tła neutrin atmosferycznych.
Opis eksperymentu Eksperyment Hyper-Kamiokande będzie składał się z linii produkcji wiązki neutrin akceleratorowych, zestawu bliskich detektorów, pośredniego detektora i detektora dalekiego (także zwanego Hyper-Kamiokande). Sam daleki detektor będzie wykorzystywany do poszukiwań rozpadu protonu i badań neutrin ze źródeł naturalnych. Natomiast wszystkie powyższe elementy posłużą do badania oscylacji neutrin akceleratorowych. Przed uruchomieniem eksperymentu HK, eksperyment T2K zakończy zbieranie danych, a HK przejmie jego linię produkcji wiązki neutrin i zestaw bliskich detektorów, natomiast detektory pośredni i daleki muszą zostać zbudowane od nowa.
Wiązki neutrin
Bliskie detektory
Pośredni wodny detektor Czerenkowa