Super-Kamiokande

Nel 1982, sotto la direzione di Masatoshi Koshiba, dell'Istituto per la Ricerca sui Raggi Cosmici dell'Università di Tokyo, iniziò la costruzione del rivelatore Kamioka Nucleon Decay Experiment (KamiokaNDE), un serbatoio di 16,0 m di altezza e 15,6 m di diametro, contenente 3.058 tonnellate di acqua pura e circa 1.000 tubi fotomoltiplicatori (PMT) fissati alla sua superficie interna. Lo scopo principale dell'esperimento era determinare l'esistenza del decadimento del protone.

Il rivelatore entrò in funzione nel 1983. A partire dal 1985, il rivelatore fu migliorato per abbassare la soglia di rivelazione in modo da poter osservare i neutrini solari. Divenne sufficientemente sensibile da rilevare dieci neutrini provenienti da SN 1987A, una supernova esplosa nella Grande Nube di Magellano nel febbraio 1987,^[4] e da poter pubblicare l'osservazione di neutrini solari nel 1988.^[5] La capacità dell'esperimento Kamiokande di osservare in tempo reale la direzione degli elettroni prodotti nelle interazioni dei neutrini solari permise di dimostrare per la prima volta che i neutrini provenivano direttamente dal Sole. Questi risultati portarono all'assegnazione del Premio Nobel per la Fisica 2002 a Masatoshi Koshiba, in condivisione con Ray Davis, per "contributi pionieristici all'astrofisica, in particolare per la rivelazione di neutrini cosmici".^[2]

KamiokaNDE rivelo' alcun segnale di decadimento di protoni, e riuscì quindi a stabilire limiti inferiori molto stringenti sulla vita media del protone: ${\displaystyle \tau _{p}\geq 2.6\times 10^{32}}$ anni al 90% di livello di confidenza per il canale di decadimento in positrone e pione neutro ( ${\displaystyle p\rightarrow e^{+}\pi ^{\circ }}$)^[6]. Limite così stringente da riuscire ad escludere tutti i modelli più semplici di Grande Unificazione delle particelle elementari.

Uno dei fondi principali per la ricerca del decadimento del protone è costituito dai neutrini atmosferici. Nel misurare questa componente del fondo, l'esperimento riportò anomalie sul flusso di questi neutrini, che potevano essere interpretate come oscillazioni dei neutrini atmosferici.^[7]

Il grande successo del KamiokaNDE spinse la collaborazione a proporre un enorme potenziamento del rivelatore: Super-Kamiokande, un cilindro alto 41,4 m e del diametro di 39,3 m, contenente 50.220 tonnellate di acqua ultrapura, 17 volte la massa d'acqua di KamiokaNDE.^[8] Il progetto Super-Kamiokande fu approvato dal Ministero dell'Istruzione, della Scienza, dello Sport e della Cultura giapponese nel 1991 per un finanziamento totale di circa 100 milioni di dollari. Gruppi di ricerca americani si unirono alla collaborazione, costruendo l'Outer Detector, con un finanziamento di circa 3 milioni di dollari del DoE, approvato nel 1993. Super-Kamiokande fu completato nel 1996.^[9]

Super-Kamiokande fu in grado di annunciare la scoperta dell'oscillazione dei neutrini nel 1998,^[10] approfondendo lo studio dell'anomalia dei neutrini atmosferici suggerita da KamiokaNDE. Questa scoperta portò all'assegnazione del Premio Nobel per la Fisica del 2015 a Takaaki Kajita, in condivisione con Arthur McDonald del Sudbury Neutrino Observatory, "per la scoperta delle oscillazioni dei neutrini, che dimostrano che i neutrini hanno massa".^[3] Il fatto che i neutrini abbiano massa non nulla è di estrema importanza perché il modello standard delle particelle elementari prevede che i neutrini abbiano massa nulla e non possiede al suo interno alcun meccanismo per dare loro massa. Per cui questa scoperta è considerata la prima dimostrazione sperimentale che deve esistere fisica al di là del modello standard.^[11]

Il 12 novembre 2001, circa 6.600 tubi fotomoltiplicatori esplosero in una reazione a catena, originata dall'implosione di un singolo fototubo. L'onda d'urto dell'implosione di ciascun fototubo è infatti in grado di fare esplodere tutti i fototubi vicini. Il rivelatore era in fase di riempimento, la reazione a catena distrusse tutti i fotomoltiplicatori immersi nell'acqua, circa la metà del totale.^[12][13] Il rivelatore fu parzialmente ripristinato da aprile a ottobre 2002 ridistribuendo i tubi fotomoltiplicatori che non erano esplosi, aggiungendo schermi protettivi in acrilico progettati per impedire il ripetersi di un'altra reazione a catena.^[14]

Nel luglio 2005, iniziarono i preparativi per ripristinare il rivelatore alla sua forma originale reinstallando circa 6.000 fotomoltiplicatori. I lavori furono completati nel luglio 2006.^[15] Furono successivamente apportati significativi aggiornamenti all'elettronica.

Il rivelatore è stato sottoposto a una completa ristrutturazione durante l'autunno del 2018, che ha incluso la sigillatura del serbatoio contro le perdite d'acqua, la pulizia, il miglioramento delle tubature e la sostituzione dei PMT guasti. Il 29 gennaio 2019 il rivelatore ha ripreso l'acquisizione dei dati.^[16]

Nel 2020, è stato disciolto nell’acqua del solfato di gadolinio ottaidrato ${\displaystyle {\rm {Gd_{2}(SO_{4})_{3}\cdot 8H_{2}O}}}$ ad una concentrazione di Gd dello 0,01%.^[17] Nel 2022, la concentrazione è stata aumentata allo 0,03%.^[18] L’aggiunta di gadolinio migliora l’efficienza di cattura dei neutroni fino a circa il 50% (e fino al 75% con una concentrazione dello 0,03%), migliorando così l’efficienza di rilevazione degli antineutrini a bassa energia.^[18]

L'unità base per i fotomoltiplicatori dell'ID è un "supermodulo", un telaio che ospita una matrice 3×4 di PMT (Hamamatsu R3600, con diametro di 50 cm). I telai dei supermoduli hanno un'altezza di 2,1 m, una larghezza di 2,8 m e uno spessore di 0,55 m. Questi telai sono collegati tra loro sia in verticale che in orizzontale. L'intera struttura di supporto viene quindi collegata al fondo del serbatoio e alla struttura superiore. Oltre a fungere da elementi strutturali rigidi, i supermoduli hanno semplificato l'assemblaggio iniziale dell'ID.^[8] Ogni supermodulo ha due fotomoltiplicatori (Hamamatsu R1408, con diametro di 20 cm) fissati sul lato esterno (OD). Lo spessore dell'OD varia leggermente, ma è in media di circa 2,6 m nella parte superiore e inferiore e di 2,7 m sulla parete laterale, conferendo all'OD una massa totale di 18 kton. I PMT dell'OD sono 302 sullo strato superiore, 308 su quello inferiore e 1275 sulla parete laterale.

Per proteggere dalle radiazioni di fondo a bassa energia provenienti dai prodotti di decadimento del radon nell'aria, il tetto della cavità e i tunnel di accesso sono stati sigillati con un rivestimento chiamato Mine Guard. Mine Guard è una membrana di poliuretano applicata a spruzzo, sviluppata per essere utilizzata come sistema di supporto per le rocce e barriera contro il gas radon nell'industria mineraria.^[8]

Il campo geomagnetico medio è di circa 450 mG ed è inclinato di circa 45° rispetto all'orizzonte nel sito del rivelatore. Ciò rappresenta un problema per i PMT di grandi dimensioni e molto sensibili, che preferiscono un campo ambientale molto più basso. L'intensità e la direzione uniforme del campo geomagnetico potrebbero influenzare sistematicamente le traiettorie e la temporizzazione dei fotoelettroni nei PMT. Per contrastare questo effetto, 26 bobine di Helmholtz orizzontali e verticali sono disposte attorno alle superfici interne del serbatoio. Con queste in funzione, il campo medio nel rivelatore si riduce a circa 50 mG. Il campo magnetico in varie posizioni del PMT è stato misurato prima che il serbatoio fosse riempito d'acqua nel 2018.^[20]

L'energia del Sole proviene dalla fusione nucleare che avviene nel suo nucleo, dove 4 protoni si uniscono per formare un atomo di elio e due neutrini elettronici. I neutrini emessi da questa reazione sono chiamati neutrini solari.

Il Sole e circa l'80% delle stelle visibili producono la loro energia attraverso la conversione dell'idrogeno in elio tramite la reazione

${\displaystyle 4p\to {}^{4}\!He+2e^{+}+2\nu _{e}+26.73}$ MeV

La catena di fusione nucleare nel Sole è illustrata in figura; stelle molto più massicce del Sole producono energia attraverso il ciclo CNO, illustrato anch'esso in figura a destra. All'inizio degli anni '90, nessun singolo esperimento era in grado di dimostrare che le anomalie nel flusso misurato dei neutrini solari fossero un segnale di oscillazione dei neutrini. Ma nel loro insieme, gli esperimenti Homestake, KamiokaNDE, Gallex e Sage indicavano che il flusso misurato di neutrini non fosse compatibile con alcuna possibile versione del Modello Standard del Sole (SSM).^[21] Per ottenere un'evidenza di oscillazione era necessaria una nuova generazione di rivelatori con prestazioni molto superiori. Questi esperimenti sono Super-Kamiokande, il Sudbury Neutrino Observatory (SNO) e Borexino . Super-Kamiokande è in grado di rilevare i neutrini del Sole attraverso lo scattering elastico (ES) su elettroni:

${\displaystyle \nu +e^{-}\to \nu +e^{-}}$

processo in cui i neutrini elettronici hanno una probabilità di interazione (sezione d'urto) circa 6 volte maggiore rispetto ai neutrini muonici e tauonici. Nello scattering elastico l'elettrone uscente mantiene la direzione del neutrino incidente, per cui fornisce informazioni sulla sorgente dei neutrini. Grazie a questa proprietà già KamiokaNDE fu in grado di dimostrare per la prima volta che i neutrini misurati provenivano dal Sole.

Il flusso misurato di questi neutrini in Super-Kamiokande, integrando 5805 giorni di presa dati, è risultato ${\displaystyle (2,336\pm 0,0011({\rm {{stat.})\pm 0,043({\rm {{syst.}))\times 10^{6}\;cm^{-2}s^{-1}}}}}}$ che risulta in forte deficit rispetto alle previsioni del modello solare (SSM): ${\displaystyle \textstyle {Data \over SSM}=0,441\pm 0,003(stat.)\pm -0,007(syst.)}$ .^[22] Con questi dati l'esperimento e' stato in grado di determinare i parametri di oscillazione ${\displaystyle \textstyle \sin ^{2}\theta _{12}=0,306\pm 0,013}$ e ${\displaystyle \textstyle \Delta m_{21}^{2}=(6,10_{-0,81}^{+0,95})\times 10^{-5}\;eV^{2}}$

I neutrini atmosferici sono raggi cosmici secondari prodotti dal decadimento di particelle generate dall'interazione di raggi cosmici primari (principalmente protoni ) con l'atmosfera terrestre .

Il flusso di protoni primari è uniforme attorno alla Terra, per cui anche il flusso di neutrini atmosferici è previsto essere uniforme rispetto all'angolo zenitale. In prima approssimazione i neutrini atmosferici dovrebbero essere composti da neutrini muonici e neutrini elettronici in rapporto 1:2. Tuttavia, Super-Kamiokande ha misurato una forte distorsione del flusso di neutrini muonici in funzione dell'angolo zenitale. Ciò può essere spiegato dal fatto che i neutrini oscillano in altri neutrini che non vengono rilevati. Questo fenomeno è chiamato oscillazione dei neutrini; questa scoperta indica la massa finita dei neutrini e suggerisce un'estensione del Modello Standard. I neutrini oscillano in tre sapori e tutti i neutrini hanno la loro massa a riposo. Analisi successive del 2004 hanno suggerito una dipendenza sinusoidale del tasso di eventi in funzione di "Lunghezza/Energia", che ha confermato le oscillazioni dei neutrini.^[23]

Con la misura delle oscillazioni dei neutrini atmosferici, Super-Kamiokande è tuttora in grado di fornire misure precise di molti parametri di oscillazione. I valori aggiornati integrando 6511.3 giorni di presa dati dell'esperimento, forniscono i valori ${\displaystyle \Delta m_{32}^{2}=2,40_{-0,09}^{+0,07}\,{\rm {eV^{2}}}}$, ${\displaystyle \sin _{23}^{2}=0,45_{-0,03}^{+0,06}}$ e ${\displaystyle \delta _{CP}=-1,75_{-1,25}^{+0,76}}$.^[24] Inoltre l'analisi favorisce la gerarchia di massa diretta dei neutrini rispetto alla gerarchia inversa con un livello di confidenza del 92,3%.

Nel Modello standard si assume che il protone sia assolutamente stabile. Tuttavia, le Teorie della grande unificazione (GUT) prevedono che i protoni possano decadere in particelle cariche più leggere, come elettroni, muoni, pioni o altre, che possono essere osservate. L’esperimento Super-Kamiokande ha pubblicato i limiti più stringenti per la maggior parte dei canali di decadimento del protone:

• 2,4×10³⁴ anni per il decadimento in un positrone e un pione neutro (p → e⁺ + π⁰),^[25]
• 1,6×10³⁴ anni per il decadimento in un antimuone e un pione neutro (p → μ⁺ + π⁰),^[26]
• 0,59×10³⁴ anni per il decadimento in un antineutrino muonico e un kaone positivo (p → ν̄K⁺).^[26]

Inoltre, Super-Kamiokande ha pubblicato il limite più stringente sulle oscillazioni neutrone–antineutrone, stabilendo un limite per il tempo di vita nucleare di ${\displaystyle \textstyle T_{n{\bar {n}}}\geq 3,6\times 10^{32}}$ anni al livello di confidenza del 90%, corrispondente a un limite sul tempo di oscillazione neutrone–antineutrone di ${\displaystyle \textstyle \tau _{n{\bar {n}}}\geq 4,7\times 10^{8}}$ s.^[27]

Per rilevare e identificare emissioni di neutrini da esplosioni di supernove nel modo più efficiente e rapido possibile, Super-Kamiokande è dotato di un sistema di monitoraggio online. Si prevedono circa 10.000 eventi totali in Super-Kamiokande per un’esplosione di supernova al centro della Via Lattea. Super-Kamiokande è in grado di misurare un burst senza tempo morto, fino a 30.000 eventi entro il primo secondo dall’inizio del fenomeno. I calcoli teorici sulle esplosioni di supernova indicano che i neutrini vengono emessi su una scala temporale complessiva di alcune decine di secondi, con circa la metà emessa durante il primo o i primi due secondi. Super-Kamiokande ricerca cluster di eventi in finestre temporali definite di 0,5, 2 e 10 s.^[28]

I neutrini relici di supernova (SRN), provenienti da tutte le esplosioni di supernove avvenute nel passato, possono trasportare informazioni sulla dinamica delle supernove e sull’evoluzione dell’universo. Finora non sono ancora stati rivelati. Super-Kamiokande ha pubblicato i limiti più stringenti su questo flusso: con un'efficienza di rivelazione del 17.8% ha rivelato 13 eventi candidati, compatibili con il fondo atteso di ${\displaystyle \textstyle 10\pm 1,7}$ eventi, in 960 giorni di presa dati.^[29][30]

Nel gennaio 2023, sulla base dei dati raccolti nel periodo 1996–2018, Super-Kamiokande ha riportato nuovi limiti per la materia oscura, escludendo sezioni d’urto di scattering elastico materia oscura–nucleone comprese tra 10⁻³³ cm² e 10⁻²⁷ cm² per masse nell’intervallo da 1 MeV a 1 GeV.^[31]

L'esperimento K2K è stato un esperimento sui neutrini condotto da giugno 1999 a novembre 2004. Era progettato per verificare le oscillazioni osservate da Super-Kamiokande attraverso i neutrini muonici prodotti presso il laboratorio KEK a Tsukuba, in Giappone, dall'interazione di protoni accelerati su un bersaglio e diretti verso il rivelatore Super-Kamiokande.^[32]

I neutrini prodotti da un acceleratore hanno un flusso e una composizione ben definiti. L'energia dei neutrini generati a KEK era scelta per avere il massimo dell'oscillazione a 250 km (da cui la denominazione di esperimento long-baseline), la distanza che separa KEK da Super-Kamiokande. Una serie di rivelatori montati a KEK alla distanza di 300 m dal bersaglio misurava il flusso di neutrini prima che le oscillazioni potessero svilupparsi, permettendo una forte riduzione degli errori sistematici.^[33]

K2K ha fornito la prima conferma indipendente delle oscillazioni dei neutrini, confermando anche il valore dei parametri di oscillazione misurati da Super-Kamiokande.^[34] Il risultato finale di K2K trovò che ak 99,9985% livello di confidenza (4,3 σ) si verificava una scomparsa di neutrini muonici, che si poteva interpretare come oscillazione di questi in neutrini tauonici, che non lasciano segnali in K2K. Sotto questa ipotesi, si poteva estrarre il valore della differenza delle masse dei neutrini muonici e tauonici: Δm² = 2,8×10⁻³ eV².^[34]

L'esperimento T2K (Tokai to Kamioka) è un esperimento long-baseline di seconda generazione, che utilizza ancora Super-Kamiokande come rivelatore lontano, ma utilizza un fascio di neutrini generato nel laboratorio di J-PARC, Tokai, prefettura di Ibaraki, che si trova a 290 km da Super-Kamiokande. Il fascio di neutrini è circa 50 volte più intenso di quello di K2K, in continua evoluzione. T2K ha cominciato la presa dati nel 2010 ed è tuttora in funzione. Questo esperimento è descritto nella pagina dedicata.

Hyper-Kamiokande sarà il successore di Super-Kamiokande. Consiste in un serbatoio cilindrico di 68 metri di diametro e 71 metri di altezza, circa 5 volte più grande (258 kton d'acqua). Il fascio di neutrini sarà generato ancora a J-PARC, con un'intensità aumentata a 1.3 MW. Il complesso di rivelatori vicini rimane lo stesso di T2K, con l’aggiunta di un rivelatore intermedio a luce Cerenkov, mentre la distanza da J-PARC resta invariata rispetto a Super-Kamiokande. La costruzione del rivelatore Hyper-Kamiokande è iniziata nel 2020 e l’avvio della raccolta dei dati è previsto per il 2028.