Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande

Caractéristiques

Type	Observatoire de neutrinos, détecteur Tcherenkov
Localisation	Hida  Japon
Coordonnées	36° 25′ 00″ N, 137° 18′ 00″ E
Sites web	(ja) www.hyper-k.org (en) www.hyper-k.org/en

Aperçu de l'expérience Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande (également appelé Hyper-K ou HK) est un à la fois un observatoire de neutrinos et le nom d'une expérience en construction à Hida, dans la préfecture de Gifu, et à Tokai dans la préfecture d'Ibaraki, au Japon. Elle est conduite par l'université de Tokyo et par la l'Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (connue sous le nom de KEK), en collaboration avec des instituts de plus de vingt pays répartis sur six continents.

En tant que successeur des expériences Super-Kamiokande (également Super-K ou SK) et T2K, elle est conçue pour rechercher la désintégration du proton et détecter les neutrinos provenant de sources naturelles tels que les géoneutrinos, les neutrinos atmosphériques, les neutrinos solaires et les neutrinos cosmiques, ainsi que pour étudier les oscillations des neutrinos d'un faisceau produit par un accélérateur.

Le début de la prise de données est prévu pour 2027.

Localisation

L'expérience Hyper-Kamiokande sera située en deux endroits :

• Le faisceau de neutrinos sera produit dans le complexe d'accélérateurs du J-PARC (36° 26′ 42″ N, 140° 36′ 22″ E) et étudié par un ensemble de détecteurs proches et intermédiaires situés dans le village de Tokai, dans la préfecture d'Ibaraki, sur la côte est du Japon.
• Le détecteur principal, également appelé Hyper-Kamiokande (HK), est en cours de construction sous le pic du mont Nijuugo dans la ville de Hida, dans la préfecture de Gifu, dans les Alpes japonaises (36° 21′ 20,105″ N, 137° 18′ 49,137″ E). Le détecteur HK sera utilisé pour les recherches de désintégration du proton, les études des neutrinos provenant de sources naturelles et servira de détecteur lointain pour la mesure des oscillations du faisceau de neutrinos à la distance correspondant au premier maximum d'oscillation.

Programme de physique

Oscillations des neutrinos atmosphériques et des neutrinos issus d'accélérateur

L'oscillation des neutrinos est un phénomène de mécanique quantique dans lequel les neutrinos changent de saveur (les états propres de saveur ou d'interaction sont le neutrino électronique $\nu _{e}$, le neutrino muonique $\nu _{\mu }$ et le neutrino tauique $\nu _{\tau }$) lors de leur propagation puisque ces états de saveur sont un mélange d'états propres de masse ($\nu _{2}$, $\nu _{2}$ et $\nu _{3}$ avec les masses associées $m_{1}$, $m_{2}$ et $m_{3}$). Les probabilités d'oscillation dépendent de six paramètres du Modèle Standard :

• trois angles de mélange ($\theta _{12}$, $\theta _{23}$, et $\theta _{13}$) qui gouvernent le mélange entre les états propres de masse et de saveur,
• deux différences de masses carrées ($\Delta m_{21}^{2}$ et $\Delta m_{32}^{2}$, avec $\Delta m_{ij}^{2}=m_{i}^{2}-m_{j}^{2}$),
• une phase ($\delta _{\text{CP}}$) qui est responsable de l'asymétrie matière-antimatière (violation de la symétrie CP) dans les oscillations de neutrinos,

ainsi que de deux paramètres qui dépendent de l'expérience considérée :

• l'énergie des neutrinos,
• la longueur de base ("baseline" en anglais), qui est la distance parcourue par les neutrinos au point où les oscillations sont mesurées.

Poursuivant les études menées par l'expérience T2K, le détecteur lointain HK mesurera les spectres en énergie des neutrinos électroniques et muoniques du faisceau (initialement produit comme un faisceau quasi-pur de neutrinos muoniques) et les comparera avec les prédictions théoriques calculées sans phénomène d'oscillation. Ces prédictions théoriques dépendent du flux initial de neutrinos ainsi que des modèles d'interaction qui sont contraints par les mesures effectuées par les détecteurs proches et intermédiaires. A l'énergie du faisceau de neutrinos de HK/T2K (600 MeV) et à une distance entre le J-PARC et le détecteur HK/SK (295 km), la mesure à lieu au premier maximum d'oscillation à la fréquence gouvernée $\Delta m_{32}^{2}$. Le faisceau de neutrinos du J-PARC peut fonctionner en deux modes distinct dans lesquels sont produits des neutrinos ou des antineutrinos. La mesure des oscillations dans ces deux modes fournira des informations sur la probabilité de survie des (anti)neutrinos muoniques $P_{\nu _{\mu }\rightarrow \nu _{\mu }}$ ($P_{{\overline {\nu }}_{\mu }\rightarrow {\overline {\nu }}_{\mu }}$), ainsi que la probabilité d'apparition $P_{\nu _{\mu }\rightarrow \nu _{e}}$ ($P_{{\overline {\nu }}_{\mu }\rightarrow {\overline {\nu }}_{e}}$) des (anti)neutrinos électroniques où $P_{\nu _{\alpha }\rightarrow \nu _{\beta }}$ représente la probabilité qu'un neutrino produit initialement avec une saveur $\alpha$ soit détecté plus loin avec une saveur $\beta$.

Capacité de l'expérience Hyper-K d'exclure la conservation de la symétrie CP en fonction de la valeur vraie de $\delta _{\text{CP}}$

La comparaison des probabilités d'apparition des neutrinos et des antineutrinos électroniques ($P_{\nu _{\mu }\rightarrow \nu _{e}}$ versus $P_{{\overline {\nu }}_{\mu }\rightarrow {\overline {\nu }}_{e}}$) permet de mesurer la phase $\delta _{\text{CP}}$. Celle-ci varie de $-\pi$ à $\pi$ (de -180° à +180°) et les valeurs $0$ et $\pm \pi$ correspondent à la consrvation de la symétrie CP. Après 10 années de prise de données, HK devrait confirmer à un niveau de confiance d'au moins $5\sigma$ si la symétrie CP est violée dans les oscillations de neutrinos pour 57% des valeurs possibles de $\delta _{\text{CP}}$. La violation de cette symétrie est l'une des conditions nécessaires pour produire un excès de matière (supposée avoir été produite en quantité égale avec l'antimatière) dans l'univers primordial, ayant pour conséquence l'univers composé uniquement de matière que l'on observe aujourd'hui. Les neutrinos du faisceau seront également utilisés pour améliorer la précision de la mesure des autres paramètres d'oscillation, $|\Delta m_{32}^{2}|$, $\theta _{23}$ et $\theta _{13}$, et pour réaliser des mesures des paramètres des modèles d'interaction des neutrinos.

La détermination de la hiérarchie des masses des neutrinos (c'est-à-dire de savoir si l'état propre de masse $\nu _{3}$ est plus léger ou plus lourd que les états $\nu _{1}$ et $\nu _{2}$) ou de façon équivalente la mesure du signe (encore inconnu) du paramètre $\Delta m_{32}^{2}$ se fait en observant la propagation des neutrinos dans la matière. Dans les conditions du faisceau de neutrinos de HK (295 km, 600 MeV) les effets de matière sont relativement faibles. L'expérience HK mesure également les oscillations des neutrinos atmosphériques. Les neutrinos atmosphériques sont les neutrinos produits (conjointement avec d'autres particules) lors des interactions des rayonnements cosmiques primaires avec l'atmosphère terrestre. Puisque ces interactions ont lieu tout autour du globe, HK a accès à des neutrinos ayant parcouru une large gamme de distance allant de quelques centaines de mètres jusqu'au diamètre de la Terre. Puisque ces neutrinos subissent des effets de matière beaucoup plus importants, ils peuvent être utilisés pour déterminer la hiérarchie des masses des neutrinos.

En résumé, c'est l'analyse combinée des oscillations des neutrinos de faisceau et des neutrinos atmosphériques qui fournira la sensibilité la plus élevées aux paramètres d'oscillation $\delta _{\text{CP}}$, $|\Delta m_{32}^{2}|$, ${\text{signe}}(\Delta m_{32}^{2})$, $\theta _{23}$ et $\theta _{13}$.

Astronomie neutrino et géoneutrinos

Les supernovas à effondrement de cœur produisent de grandes quantités de neutrinos. Pour une supernova située dans la galaxie d'Andromède, entre 10 et 16 événements neutrinos sont attendus dans le détecteur HK. Pour une supernova galactique située à une distance de 10 kpc, de 50 000 à 94 000 interactions de neutrinos sont attendues en quelques dizaines de secondes. Si Bételgeuse située à une distance de 0,2 kpc, finissait sa vie en supernova, ce taux pourrait atteindre jusqu'à $10^{8}$ interactions par seconde. Un tel taux d'événements a été pris en compte dans la conception de l'électronique et du système d'acquisition de données (DAQ) du détecteur, ce qui signifie qu'aucune donnée ne serait perdue même pour un tel phénomène. Les profils temporels du nombre d'événements enregistrés dans HK et leur énergie moyenne permettent de tester différents modèles d'explosion. Les informations directionnelles des neutrinos dans le détecteur lointain HK peuvent fournir une alerte précoce afin d'informer les autres observatoires pour la détection des ondes électromagnétique émises par la supernova dans le paradigme des observations multi-messagers.

Évolution

Le programme Hyper-Kamiokande existe depuis les années 2010. Ce projet est classé parmi les 28 grands projets prioritaires de l'État japonais. Treize États, de trois continents, participent à ce programme.

Outre les équipes permanentes, de grandes rencontres, voire 'inaugurations'^[pas clair] ont lieu. À l'occasion de l'inauguration 2017, des débuts de construction sont annoncés pour l'année 2018, avec mise en fonction au milieu des années 2020.

Le site officiel donne force explications et schémas sur ce programme. La cuve, qui a d'abord fait 4 millions de litres d'eau très pure dans le premier laboratoire Kamiokande, puis 50 millions de litres dans les années 1990 pour Super-Kamiokande, sera beaucoup plus importante pour Hyper-Kamiokande. Formée d'un double cylindre de 2 x 250 mètres de long, toujours de ~40m x 40m, et toujours à 600 m de profondeur pour réduire l'impact parasite des rayonnements cosmiques, sa capacité serait donc accrue passant à 1 000 millions de litres de cette eau de grande pureté. Cette augmentation de capacité s'accompagne de la croissance proportionnelle du nombre de capteurs.

Enfin, pour donner un ordre de grandeur de la masse d'une barrière de plomb qui permettrait une captation neutrinale classique, à au moins 68% (sans les nombreuses approximations et astuces déployées par ces laboratoires), celle-ci est estimée à des chiffres de l'ordre de l'année-lumière en épaisseur^[pas clair].

Annexes

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) Francesca Di Lodovico, The Hyper-Kamiokande Experiment, Royal Geographical Society, coll. « NEUTRINO 2016 », 6 juillet 2016, pdf
• (en) Dennis Normile, « Japanese neutrino physicists think really big », Science, American Association for the Advancement of Science, vol. 347, n^o 6222,‎ 6 février 2015, p. 598 (PMID 25657225, DOI 10.1126/science.347.6222.598, lire en ligne, consulté le 14 mars 2017)

Liens externes

• (ja + en) Site officiel