Hyper-Kamiokande – detektor, który zajrzy w początki Wszechświata
Pod koniec lipca 2025 roku w Japonii (pod szczytem Nijuugo w prefekturze Gifu) zakończono prace przy drążeniu olbrzymiej groty, w której zostanie zainstalowany największy na świecie detektor neutrin – Hyper-Kamiokande (Hyper-K). Ultraduży wodny detektor promieniowania Czerenkowa nowej generacji ma być następcą Super-Kamiokande, znajdującego się w kopalni niedaleko miejscowości Kamioka w Japonii.
Po przełomowym odkryciu oscylacji neutrin w eksperymencie Super-Kamiokande w 1998 roku, właściwości neutrin były określane jedna po drugiej i konieczne stało się zaktualizowanie Modelu Standardowego. W 2011 roku eksperyment T2K, w którym wykorzystano wiązkę neutrin z akceleratora J-PARC o wysokiej intensywności i detektora Super-Kamiokande, potwierdził trzecią oscylację neutrin. Teraz czas na nowe badania i odkrycia.
Prace przy wydrążeniu podziemnej komory trwały niemal trzy lata. Detektor Hyper-K zostanie zainstalowany 600 m pod ziemią w kopalni Kamioka (w mieście Hida w prefekturze Gifu), aby skutecznie chronić detektor przed zakłóceniami wywoływanymi przez promieniowanie kosmiczne. Zarówno skala obiektu, jak i jego podziemna lokalizacja niosą ze sobą wiele wyzwań technologicznych. Największymi dotąd wyzwaniami było drążenie komory w litej skale, a także jej imponujące rozmiary. Głównym celem przedsięwzięcia lepsze zrozumienie ewolucji Wszechświata i weryfikacja założeń teorii wielkiej unifikacji. Naukowcy chcą to osiągnąć, badając naruszenie symetrii CP (czyli różnice między neutrinami a antyneutrinami) i poszukując oznak rozpadu protonu, a także obserwując neutrina docierające do Ziemi z wybuchów supernowych.
Hyper-K to typ detektora zwany wodnym detektorem Czerenkowa. Eksperyment zostanie przeprowadzony w ogromnym cylindrycznym zbiorniku wodnym o średnicy 68 metrów i głębokości 71 metrów, wypełnionym 260 000 tonami ultraczystej wody. Będzie to największy na świecie podziemny zbiornik na wodę. Detektor Hyper-K ma masę fiducjalną (to ta część masy detektora, którą faktycznie wykorzystuje się do analizy danych, po odrzuceniu warstw brzegowych) 8,4 razy większą niż w przypadku jego poprzednika Super-Kamiokande. Na ścianie zbiornika zostanie zainstalowanych 40 000 fotosensorów o bardzo wysokiej czułości w celu wykrycia bardzo słabego światła Czerenkowa. Gdy neutrino wchodzi w interakcję z wodą, może dojść do powstania cząstek naładowanych, które poruszają się szybciej niż prędkość światła w wodzie. Skutkiem tego jest emisja promieniowania Czerenkowa, mającego formę stożka. Zjawisko to można porównać do fali uderzeniowej, która pojawia się, gdy obiekt przekracza prędkość dźwięku w powietrzu – tyle że tu dotyczy to światła w wodzie. Charakterystyczne błękitne promieniowanie jest rejestrowane w postaci świetlnych pierścieni przez fotopowielacze umieszczone na ścianach zbiornika. Na ich podstawie możliwe jest odtworzenie parametrów cząstki, która wygenerowała promieniowanie, a także samego neutrina.
Detektor Hyper-Kamiokande będzie zarówno „mikroskopem” używanym do obserwacji cząstek elementarnych, jak i „teleskopem” do obserwacji Słońca i supernowych przy użyciu neutrin.
Hyper-Kamiokande to międzynarodowy projekt badawczy prowadzony pod kierownictwem Uniwersytetu Tokijskiego i instytutu KEK, we współpracy z ośrodkami naukowymi z całego globu. W budowę i rozwój Hyper-Kamiokande zaangażowanych jest obecnie ponad 600 specjalistów z 22 krajów, w tym silna reprezentacja z Polski. Polskie zaangażowanie w projekt Hyper-Kamiokande ma charakter zarówno techniczny, jak i badawczy oraz organizacyjny. Polskie Konsorcjum Hyper-Kamiokande koordynowane jest przez Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), a w jego skład wchodzi dziewięć instytucji: Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytet Śląski w Katowicach, Politechnika Warszawska, Uniwersytet Warszawski, Uniwersytet Wrocławski, Uniwersytet Jagielloński, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie i Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk. W gronie naukowców pracujących przy Hyper-K znajduje się grupa fizyków z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego: dr Lakshmi Sandya Mohan, dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ, mgr Jacek Holeczek i prof. dr hab. Jan Kisiel, która pracuje nad rozwijaniem oprogramowania do analizy oscylacji neutrin, a także uczestniczy w testach fotopowielaczy.
Opracowano na podstawie:
Hyper-Kamiokande. The next-generation project to unravel the tiny subatomic particles and the extreme universe
Hyper-Kamiokande coraz bliżej – kolejny etap projektu zakończony
