Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande — это строящийся в Японии нейтринный детектор нового поколения, предназначенный для изучения свойств нейтрино, поиска распада протона и наблюдения за нейтринными вспышками от сверхновых. Проект является прямым развитием детектора Super-Kamiokande (SK) и предполагает увеличение массы чувствительного объёма примерно в 8 раз. Строительство ведётся в шахте под горой Икенояма (префектура Гифу, Япония) и должно завершиться к концу 2020-х годов. Ожидается, что Hyper-Kamiokande станет одним из самых чувствительных инструментов в мире для регистрации нейтрино низких энергий.

История

Идея создания детектора следующего поколения после Super-Kamiokande возникла в начале 2000-х годов. В 2010 году была сформирована международная коллаборация Hyper-Kamiokande, в которую вошли учёные из Японии, США, стран Европы и Азии. Первоначальный проект предполагал два детектора, но в 2015 году было принято решение строить один, но с увеличенным объёмом. В 2018 году проект получил официальное одобрение правительства Японии, и в 2020 году начались подготовительные работы по выемке породы. Основной этап строительства стартовал в 2021 году. Финансирование проекта осуществляется за счёт бюджета Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии, а также вкладов стран-участниц коллаборации.

Устройство и конструкция

Расположение и инфраструктура

Детектор размещается на глубине около 650 метров под землёй в шахте Токай, расположенной на территории рудника Камиока. Такое расположение необходимо для экранирования от космических лучей, которые создавали бы фон для регистрации нейтрино. Вход в шахту и система транспортировки оборудования были модернизированы для размещения крупногабаритных компонентов.

Основной резервуар

Центральным элементом Hyper-Kamiokande является цилиндрический резервуар из нержавеющей стали, заполненный сверхчистой водой. Его размеры: высота 60 метров, диаметр 68 метров. Объём воды — около 260 000 тонн, что в 8 раз больше, чем у Super-Kamiokande (50 000 тонн). Резервуар разделён на две части: внутренний объём (около 200 000 тонн воды) и внешний объём (около 60 000 тонн), служащий для активной защиты от фона.

Фотоумножители

Для регистрации черенковского излучения, возникающего при движении заряженных частиц в воде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде, используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Внутренний объём будет оснащён примерно 40 000 ФЭУ диаметром 50 см (новый тип, разработанный для HK) и 20 000 ФЭУ диаметром 20 см. Внешний объём — около 3 000 ФЭУ диаметром 20 см. ФЭУ нового поколения имеют более высокую квантовую эффективность и лучшее временное разрешение по сравнению с использовавшимися в Super-Kamiokande.

Система очистки воды

Вода в детекторе должна быть исключительно чистой, чтобы минимизировать рассеяние света и фоновый шум. Система очистки включает фильтры, ионообменные смолы, ультрафиолетовое облучение и дистилляцию. Скорость циркуляции воды составляет около 100 тонн в час. Уровень радиоактивности воды (в частности, содержание радона) контролируется на уровне нескольких миллибеккерелей на кубический метр.

Научные задачи

Изучение свойств нейтрино

Основная научная цель Hyper-Kamiokande — прецизионное измерение параметров осцилляций нейтрино. Детектор будет регистрировать нейтрино от ускорителей (J-PARC, префектура Ибараки) и атмосферные нейтрино. Ожидается, что HK позволит измерить с высокой точностью параметр CP-нарушения в лептонном секторе (фазу δ_CP), что может дать ключ к пониманию асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. Также планируется уточнить значения углов смешивания θ_23 и θ_13, а также разности квадратов масс нейтрино.

Поиск распада протона

Hyper-Kamiokande будет обладать высокой чувствительностью к поиску распада протона — предсказанного некоторыми теориями Великого объединения процесса. Ожидаемый предел на время жизни протона для канала p → e⁺π⁰ будет улучшен в 10 раз по сравнению с Super-Kamiokande, до уровня около 10³⁵ лет. Это позволит проверить ряд моделей, выходящих за рамки Стандартной модели.

Наблюдение нейтринных вспышек от сверхновых

При взрыве сверхновой в нашей Галактике (или в близлежащих галактиках) детектор сможет зарегистрировать несколько тысяч нейтринных событий за несколько секунд. Это позволит изучить механизм коллапса ядра звезды, процессы нейтринного охлаждения и свойства нейтрино при экстремальных условиях. HK также будет участвовать в системе раннего оповещения (SNEWS) для координации наблюдений с другими детекторами.

Другие исследования

Детектор может быть использован для поиска нейтрино от солнечных вспышек, геонейтрино (из недр Земли), а также для регистрации нейтрино от реакторов и ускорителей. Возможен поиск тёмной материи через регистрацию нейтрино от аннигиляции частиц тёмной материи в Солнце или центре Галактики.

Классификация и сравнение

Hyper-Kamiokande относится к классу водных черенковских детекторов. По сравнению с другими крупными проектами:

• Super-Kamiokande (Япония) — предшественник, масса 50 000 тонн, работает с 1996 года.
• IceCube (Антарктида) — детектор на основе льда, регистрирует нейтрино высоких энергий (от ТэВ), но не чувствителен к низкоэнергетическим нейтрино от ускорителей.
• DUNE (США) — строящийся детектор на основе жидкого аргона, ориентирован на изучение осцилляций, но использует другой принцип регистрации.
• JUNO (Китай) — строящийся сцинтилляционный детектор для изучения реакторных нейтрино.

Hyper-Kamiokande выделяется своей огромной массой и высокой чувствительностью к нейтрино низких энергий, что делает его уникальным инструментом для изучения осцилляций и поиска распада протона.

Статус строительства

По состоянию на 2025 год завершены работы по выемке породы и созданию основной камеры. Ведётся монтаж резервуара из нержавеющей стали и подготовка к установке фотоумножителей. Запуск детектора в эксплуатацию запланирован на 2027–2028 годы. Научная программа рассчитана на 20–30 лет работы.

Интересные факты

• Название «Камиоканде» происходит от названия рудника Камиока (префектура Гифу) и слова «канде» (яп. 観測 — наблюдение). Приставка «Hyper» указывает на увеличенные размеры.
• Для строительства детектора потребовалось вынуть около 1,5 миллиона кубических метров породы, что сопоставимо с объёмом нескольких небоскрёбов.
• Вода в детекторе настолько чистая, что её прозрачность превышает 100 метров — это достигается многоступенчатой системой очистки.
• Hyper-Kamiokande будет регистрировать около 10–20 нейтринных событий в день от ускорителя J-PARC, что в 10 раз больше, чем Super-Kamiokande.

Источники

• Hyper-Kamiokande Design Report (2018) — коллаборация Hyper-Kamiokande.
• Abe, K. et al. (2018). «Hyper-Kamiokande: A next generation neutrino observatory». Progress of Theoretical and Experimental Physics.
• Официальный сайт проекта Hyper-Kamiokande (hyper-k.org).
• Статья «Hyper-Kamiokande» в журнале «Природа» (Nature, 2020).
• Материалы конференции Neutrino 2020 (онлайн).