Hyper‑Kamiokande: le géant japonais du détecteur de neutrinos

Entrevoir la particule la plus insaisissable

À mesure que la physique fondamentale progresse, nous commençons à mieux comprendre les particules subatomiques qui composent notre univers.

Cependant, certaines questions restent sans réponse, notamment une théorie unifiée de la physique, qui réunirait la relativité d’Einstein et la physique quantique. La nature exacte de l’antimatière et de la gravité est probablement la pièce manquante.

Pour les étudier, il faut mieux comprendre un type de particule insaisissable appelé neutrino. Cela pourrait bientôt être réalisé grâce à une série de nouvelles expériences sur les neutrinos.

Nous avons déjà couvert deux d’elles: le Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) et le Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Un autre mégaprojet important de neutrinos est le Hyper‑Kamiokande japonais, successeur et version à plus grande échelle du Super‑Kamiokande, une expérience précédente qui a révolutionné notre compréhension des neutrinos.

Source: Kamioka Observatory

Qu’est‑ce que les neutrinos ?

Les neutrinos sont des particules électriquement neutres avec une masse extrêmement petite, si petite qu’on a longtemps pensé qu’elle était nulle.

Actuellement, nous ne savons pas pourquoi les neutrinos ont une masse, si ce n’est qu’elle semble fonctionner différemment de celle des autres particules.

Ce qui rend les neutrinos uniques, c’est qu’ils sont essentiellement des particules « fantômes », interagissant à peine avec les autres formes de matière. En effet, les neutrinos n’interagissent qu’avec 2 des 4 forces fondamentales de l’Univers : la gravité et l’interaction faible.

Comme l’interaction faible a une portée très courte et que la gravité affecte à peine les neutrinos de faible masse, les neutrinos traversent généralement la matière sans interaction ni ralentissement. En conséquence, ils voyagent presque à la vitesse de la lumière.

Les neutrinos sont des particules fondamentales qui ne peuvent pas être décomposées en composants plus petits et existent sous 3 variantes : neutrinos électroniques, neutrinos muoniques et neutrinos tau. Pour compliquer davantage les choses, les neutrinos semblent régulièrement passer d’une variante à l’autre.

La transition entre les trois variantes de neutrinos est liée à la masse de chaque type de neutrino et renferme des réponses sur la nature fondamentale de la matière et de l’Univers lui‑même.

Les expériences d’oscillation avec les neutrinos solaires, atmosphériques – ainsi qu’avec les neutrinos provenant de réacteurs nucléaires et d’accélérateurs – ont fourni les premières preuves d’une physique au‑delà du Modèle Standard de la physique des particules.

Il est également possible qu’un 4^th type de neutrino existe également, les neutrinos stériles, qui n’interagiraient avec la matière que par gravité, les rendant encore plus difficiles à détecter que les autres.

Et puis il y a les antineutrinos, la version antimatière, encore moins compris, qui sera un point focal important du Hyper‑Kamiokande.

La plupart des neutrinos sont produits par des réactions nucléaires, depuis les fusions nucléaires dans les étoiles jusqu’à la désintégration radioactive au centre de la Terre.

Malgré leur insaisissabilité, on pense que les neutrinos sont les particules les plus abondantes de l’Univers. Environ un millier de milliards de milliards de neutrinos traversent notre corps chaque seconde.

(Vous pouvez en apprendre davantage sur les neutrinos sur le site dédié « all things neutrinos » créé par le Fermilab).

Conception du Hyper‑Kamiokande

De Kamiokande → Super‑K → Hyper‑K

Le Hyper‑Kamiokande est l’héritier de Kamiokande et du Super‑Kamiokande, les versions précédentes plus petites de détecteurs de neutrinos construites sur le même site de recherche au Japon, respectivement en 1983 et 1996.

Kamiokande a été le premier observatoire à détecter des neutrinos provenant d’une explosion de supernova et du Soleil, créant le domaine de l’astronomie des neutrinos.

Super‑Kamiokande a été responsable de la découverte des oscillations de neutrinos, montrant que les neutrinos possèdent une masse.

Le cœur du détecteur Hyper‑Kamiokande consiste en un réservoir cylindrique d’une profondeur d’eau de 71 m et d’un diamètre de 68 m. Cela en fera le plus grand réservoir d’eau souterrain du monde.

Chaque itération du concept a grandi en taille et en masse, améliorant la qualité de ses capacités de détection des neutrinos. Par exemple, Kamiokande utilisait 4 500 t d’eau, Super‑Kamiokande 50 000 t, et Hyper‑Kamiokande utilisera 260 000 t.

Source: Hyper‑Kamiokande

Sur la paroi du réservoir d’eau, 20 000 photodétecteurs ultra‑sensibles et 1 000 photodétecteurs « œil composé » ont été installés afin de détecter la très faible lumière de Cherenkov générée dans l’eau. Cela représente environ 4 fois plus que dans le Super‑Kamiokande et 40 fois plus que dans le Kamiokande.

Les tubes à photomultiplication sont comme les capteurs (pixels) d’une caméra ultra‑haute performance. Grâce à cela, le Hyper‑Kamiokande est une caméra géante capable de capturer même un seul photon. Ils sont si sensibles qu’ils pourraient capter la lumière d’une lampe torche sur la surface de la Lune.

Ces résultats ont été obtenus grâce à une conception améliorée du photodétecteur, capable de résister à deux fois la pression de l’eau et présentant la moitié de l’activité radioactive de fond résiduelle des versions précédentes.

Eau de Cherenkov : transformer les trajectoires en lumière

Le concept clé de la série d’observatoires Kamiokande est le « détecteur à eau de Cherenkov ». Il détecte une faible lumière bleuâtre émise par des particules chargées se déplaçant dans l’eau plus rapidement que la vitesse de la lumière dans l’eau (qui est inférieure à celle dans l’air ou le vide).

Lorsque un neutrino frappe les atomes de l’eau, il crée des particules chargées ainsi que le rayonnement de Cherenkov sous forme de cône le long de sa trajectoire.

Le timing et l’intensité des signaux lumineux sont utilisés pour reconstruire les propriétés de la particule d’origine.

Aller sous terre

Le Hyper‑Kamiokande est construit sous une montagne afin de réduire les interférences provenant d’autres particules que les neutrinos. Les rayons cosmiques, la radioactivité et d’autres interférences pourraient créer un signal similaire à celui des neutrinos frappant les molécules d’eau.

Une fois sous une épaisse couche de roche, l’impact de ces autres sources d’énergie devient négligeable, ne laissant que les neutrinos insaisissables comme causes possibles.

Source: Hyper‑Kamiokande

La raison du volume d’eau massif est que les neutrinos interagissent très rarement avec la matière. Ainsi, plus la « masse réactive » est grande, plus il y a de chances qu’une interaction se produise et soit détectée.

Pour augmenter davantage la probabilité d’une réaction avec les neutrinos traversants, du gadolinium soluble sous forme de sulfate d’octahydrate de gadolinium est ajouté à l’eau à une concentration de 0,01 % de gadolinium en poids.

Source: Hyper‑Kamiokande

Lorsque un neutrino interagit avec l’eau, il peut produire des neutrons. Les atomes de gadolinium capturent alors ces neutrons grâce à leur grande section efficace de capture, émettant un rayon gamma détectable.

Source: Hyper‑Kamiokande

Le gadolinium existe naturellement dans le sol japonais à une concentration d’environ 3 à 7 ppm, de sorte que le projet n’est pas considéré comme créant un risque de pollution en cas de fuite d’eau.

Faisceau J‑PARC + sources naturelles

En plus des neutrinos naturels tels que les neutrinos atmosphériques et solaires, un faisceau de neutrinos à haute intensité et haute qualité provenant de l’accélérateur de particules J‑PARC à Tokai sera utilisé.

Le Hyper‑Kamiokande devrait observer 20 fois plus de neutrinos que les expériences précédentes après l’augmentation de la puissance du faisceau J‑PARC. Le Hyper‑Kamiokande et le J‑PARC sont séparés de 295 km (183 miles), une distance suffisante pour étudier le passage d’un type de neutrino à un autre.

Source: Hyper‑Kamiokande

Chaque détecteur du Hyper‑Kamiokande est divisé en un « Détecteur interne » et un « Détecteur externe », qui sont séparés optiquement l’un de l’autre.

Source: Hyper‑Kamiokande

Le Détecteur interne est le détecteur principal, tandis que le rôle du Détecteur externe est de rejeter les muons des rayons cosmiques qui constituent une partie du bruit de fond dans la mesure des désintégrations de nucléons et des neutrinos. Plus de 99,9 % des muons des rayons cosmiques atteignant le détecteur sont éliminés, après avoir déjà été fortement filtrés par la montagne au‑dessus.

(Pour en savoir plus sur la conception du Hyper‑Kamiokande, vous pouvez également consulter ce rapport officiel complet de 282 pages.)
Glissez pour faire défiler →

Notes: Masse/taille & PMT et veto muon provenant des pages Hyper‑K/SK ; chiffres SK‑Gd tirés des documents SK‑Gd.

Calendrier du Hyper‑Kamiokande

Le projet a été approuvé en 2020, et le creusement du tunnel a commencé en 2021, parallèlement à la production en série des tubes à photomultiplication.

L’excavation principale de la caverne du détecteur a été terminée en juin 2025.

Source: Hyper‑Kamiokande

Depuis, la construction de l’observatoire lui‑même a démarré, les premières observations étant attendues pour 2028.

Il convient de noter que, bien que complexe et très puissant, ce design est désormais bien compris et est construit relativement rapidement comparé à d’autres mégaprojets de physique fondamentale et aux télescopes de prochaine génération.

Objectifs du Hyper‑Kamiokande

L’objectif global du Hyper‑Kamiokande est d’élucider l’histoire de l’évolution de l’Univers et la Théorie du Grand Unificateur de la physique, qui unifierait toutes les forces fondamentales de l’Univers en une seule équation, situation qui aurait brièvement existé 0,00000000001 seconde après le Big Bang.

Source: Hyper‑Kamiokande

Neutrinos solaires & de supernova — et recherches sur la matière noire

Grâce à sa plus grande masse et à son efficacité accrue, le Hyper‑Kamiokande pourra détecter beaucoup plus de neutrinos provenant de notre Soleil et d’étoiles lointaines en explosion.

En observant des types spéciaux de neutrinos, il pourra mieux comprendre les réactions de fusion solaire et réaliser la première observation du flux de neutrinos HEP à énergie plus élevée.

Les supernovas sont une autre grande source de neutrinos dans le ciel, créant d’énormes bouffées lors de leur explosion. Le 23 février 1987, le Kamiokande a observé des neutrinos d’une explosion de supernova survenue dans le Grand Nuage de Magellan.

Source: Shio’s HP

Malheureusement, aucune explosion de supernova n’a eu lieu pendant les expériences avec le Super‑Kamiokande.

Grâce à une portée de détection plus grande, le Hyper‑Kamiokande a beaucoup plus de chances de capter des explosions de supernova. Si une supernova se produit dans notre galaxie (10 kpc), le Hyper‑Kamiokande pourra détecter environ 50 000 neutrinos.

Cela devrait fournir aux scientifiques un indice non seulement sur les mécanismes détaillés des explosions de supernova, mais aussi pour élucider davantage la nature des neutrinos.

Le Hyper‑K et le DUNE sont presque parfaitement complémentaires dans leur sensibilité aux neutrinos de supernova, DUNE détectant les νₑ (via la diffusion sur l’argon) et Hyper‑K les ν̅ₑ (via la désintégration bêta inverse).

Le Hyper‑Kamiokande pourrait même détecter le fond diffus de neutrinos de supernova, provenant d’explosions très lointaines qui ont accumulé un flux de neutrinos sur toute l’histoire de l’Univers.

Ces radiations spécifiques seront surtout détectées grâce à l’ajout de gadolinium au détecteur (désintégration bêta inverse, au lieu des simples neutrinos issus de désintégrations de muons).

Enfin, la matière noire pourrait également être responsable de la production de neutrinos. Ainsi, si une source de neutrinos est détectée dans un lieu à forte concentration de matière noire, comme le centre de la galaxie, cela pourrait aider à élucider la nature de la matière noire.

Recherche de désintégration de proton

La désintégration occasionnelle des protons en particules subatomiques plus légères, comme un pion neutre et un positron, est quelque chose que les physiciens tentent de prouver et de mesurer depuis la construction du Kamiokande original.

Plus précisément, le Hyper‑Kamiokande pourra détecter le rayon gamma de 2,2 MeV provenant de la capture de neutrons sur l’hydrogène, ce qui constituera un événement de détection distinct de celui causé par les neutrinos.

Si le détecteur mesure la désintégration de proton, cela prouvera non seulement qu’elle se produit, mais aidera à estimer le taux de cette désintégration, qui a été révisé à la hausse lorsqu’aucune n’a été détectée par le Super‑Kamiokande, ainsi que la façon dont ils se désintègrent.

Si rien n’est encore détecté, cela obligerait les physiciens à comprendre pourquoi les protons se désintègrent encore moins que prévu, voire pas du tout.

Personne ne sait quand la désintégration du proton pourra être observée ou même si elle se produit réellement. Cependant, nous ne pouvons pas avancer sans réellement mener l’expérience. (MCLOUD.BO )

Je crois que les protons se désintègrent. Nous espérons que les lecteurs attendront le jour où la désintégration du proton sera découverte.

Dr Masato Shiozawa, le co‑porte‑parole du Hyper‑Kamiokande.

Violation CP: pourquoi la matière a gagné

À l’origine de l’Univers, les physiciens pensent que la même quantité de matière et d’antimatière a été créée.

Les oscillations de neutrinos pourraient différer de celles des antineutrinos, un phénomène hypothétique appelé violation CP, ou la rupture de la symétrie de conjugaison de charge-Parité (CP).

Source: Hyper‑Kamiokande

La violation CP a déjà été confirmée pour les quarks (les constituants des protons et des neutrons). Cependant, cela ne représente qu’un trillionième de la différence nécessaire pour créer l’Univers actuel.

Les neutrinos et antineutrinos créés dans l’accélérateur de particules J‑PARC seront essentiels pour cette expérience.

Le Hyper‑Kamiokande prévoit d’augmenter l’intensité de ce faisceau J‑PARC d’un facteur de 2,5 par rapport au Super‑Kamiokande, afin de réduire les erreurs dues à un manque de données et d’augmenter le nombre de mesures pour améliorer davantage la fiabilité.

Il est prévu de pouvoir déterminer si la symétrie CP est rompue ou non pour les neutrinos en 10 ans, avec des résultats dans les années 2030.

Conclusion

Les observatoires de neutrinos comme le Hyper‑Kamiokande, le DUNE et le JUNO seront probablement des expériences scientifiques très importantes pour enfin résoudre les questions de physique restées sans réponse pendant des décennies, et qui ont bloqué le développement de progrès supplémentaires en physique théorique.

Bien que cela puisse sembler éloigné de nos préoccupations quotidiennes, de nombreuses technologies de pointe nécessitent en réalité une meilleure compréhension des neutrinos pour progresser.

Par exemple, une puce d’informatique quantique (Majorana‑1) récemment construite par Microsoft (MSFT )

a littéralement créé un nouvel état de la matière (topoconducteurs) en utilisant une particule Majorana, un type de particule qui est son propre antiparticule.

De la même manière, mieux comprendre la réaction de fusion du Soleil pourrait nous aider à débloquer la fusion artificielle.

Ainsi, une meilleure compréhension des neutrinos, de l’antimatière ou de la matière noire n’est pas seulement un gigantesque projet scientifique, mais peut avoir des applications très directes dans le développement de nouvelles technologies qui changent le monde, comme l’informatique quantique ou les centrales à fusion.

Investir dans la science des neutrinos

1. Microsoft

Microsoft est l’une des plus grandes entreprises technologiques du monde, possédant un quasi‑monopole sur les systèmes d’exploitation, et une position très forte dans les logiciels B2B, grâce à son logiciel Office365, ses systèmes cloud Azure, LinkedIn, ainsi qu’une forte présence dans les jeux vidéo (Xbox et de nombreux grands studios de jeux), la publicité et les outils de programmation (GitHub).

L’entreprise est également très active dans l’IA, notamment avec le déploiement de son IA Copilot dans tous ses produits. Les efforts d’IA de Microsoft ont d’abord été menés en collaboration avec OpenAI, et sont maintenant davantage autonomes.

Source: Microsoft

Microsoft est également actif dans l’informatique quantique, avec l’annonce impressionnante de sa puce Majorana‑1.

Lorsque refroidies à proximité du zéro absolu et réglées avec des champs magnétiques, ces dispositifs forment des nanofils supraconducteurs topologiques, contenant ce que l’on appelle des Modes Zéro Majorana (MZM) aux extrémités des fils.

Source: Microsoft

(Vous pouvez lire plus sur toutes les activités commerciales et les opportunités de Microsoft dans notre rapport d’investissement dédié à l’entreprise.)

2. Neutrino Energy

Bien que riche en applications potentielles futures, la science des neutrinos semble encore loin d’être directement utilisée à des fins commerciales.

Cela pourrait changer, selon une start‑up privée allemande très ambitieuse, Neutrino Energy.

L’entreprise explore le concept très novateur de neutrinovoltaïques, ou la génération d’électricité à partir du flux constant de neutrinos qui nous entoure. Le principe repose sur une couche de graphène, un matériau 2D fait de carbone (suivez le lien pour une explication complète des matériaux 2D comme le graphène ou le goldene).

Cette méthode vise à convertir le mouvement constant des atomes de graphène, influencé par les radiations et particules environnantes comme les neutrinos, en électricité utilisable. Bien que prometteur en théorie, le processus reste non prouvé et hautement expérimental. Un phénomène similaire se produit avec le graphène, les neutrinos « poussant » les noyaux atomiques, comme avec les atomes d’argon dans le détecteur de neutrinos DUNE.

L’entreprise a annoncé son premier prototype à venir, appelé le Powercube, censé démontrer la technologie développée avec l’aide de l’IA.

L’entreprise travaille également avec le Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) en Inde, visant « à créer un véhicule électrique auto‑rechargeable alimenté par la technologie neutrinovoltaïque ».

Il est difficile de dire à quel point le concept est proche d’une commercialisation, car il semble pour l’instant n’être qu’un concept avec peu d’informations sur la puissance potentielle ou l’économie.

Il est également si extraordinaire dans son affirmation d’une source d’énergie infinie sans carburant qu’une forte dose de scepticisme est de mise, surtout compte tenu du très faible niveau d’interaction des neutrinos avec les autres formes de matière.

Mais c’est définitivement le plus proche d’une « entreprise de neutrinos » actuellement sur le marché, le risque d’une présentation trompeuse du potentiel technologique devant être gardé à l’esprit par les investisseurs potentiels.