Hyper‑Kamiokande: il gigantesco rivelatore di neutrini del Giappone

Catturare un’istantanea della particella più elusiva

Man mano che la fisica fondamentale avanza, stiamo iniziando a comprendere meglio le particelle subatomiche che costituiscono il nostro universo.

Tuttavia, rimangono domande senza risposta, in particolare una teoria unificata della fisica che unisca la relatività di Einstein e la fisica quantistica. La natura esatta dell’antimateria e della gravità è probabilmente il pezzo mancante chiave.

Per studiarle, è necessario comprendere meglio un tipo di particella elusiva chiamata neutrino. Questo potrebbe essere presto realizzato grazie a una serie di nuovi esperimenti sui neutrini.

In precedenza abbiamo trattato due di essi: il Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) e il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Un altro importante megaprogetto di neutrini è l’Hyp­er‑Kamiokande giapponese, successore e versione ampliata di Super‑Kamiokande, un esperimento precedente che ha rivoluzionato la nostra comprensione dei neutrini.

Fonte: Kamioka Observatory

Cosa sono i neutrini?

I neutrini sono particelle elettricamente neutre con una massa estremamente piccola, così piccola che per molto tempo si è ritenuta nulla.

Attualmente non sappiamo perché i neutrini abbiano massa, tranne che sembra funzionare in modo diverso rispetto alle altre particelle.

Ciò che rende i neutrini unici è che sono essenzialmente “fantasmi”, interagendo a malapena con altre forme di materia. Questo perché i neutrini interagiscono solo con 2 delle 4 forze fondamentali dell’Universo: gravità e interazione debole.

Poiché l’interazione debole ha un raggio d’azione molto corto e la gravità influisce poco sui neutrini a bassa massa, i neutrini di solito attraversano la materia senza interagire o rallentare. Di conseguenza, viaggiano quasi alla velocità della luce.

I neutrini sono particelle fondamentali che non possono essere suddivise in componenti più piccole e ne esistono 3 varianti: neutrini elettronici, neutrini muonici e neutrini tau. Per complicare ulteriormente le cose, i neutrini sembrano passare regolarmente da una variante all’altra.

La transizione tra le 3 varianti è legata alla massa di ciascun tipo di neutrino e contiene risposte sulla natura fondamentale della materia e dell’Universo stesso.

Gli esperimenti di oscillazione con neutrini solari, con neutrini atmosferici – così come con neutrini da reattori nucleari e acceleratori – hanno fornito le prime prove di fisica oltre il Modello Standard della fisica delle particelle.

È anche possibile che esista un 4^° tipo di neutrino, i neutrini sterili, che interagirebbero con la materia solo tramite gravità, rendendoli ancora più difficili da rilevare.

E poi ci sono gli antineutrini, la versione di antimateria, ancora meno compresi, che saranno un punto focale importante di Hyper‑Kamiokande.

La maggior parte dei neutrini è prodotta da reazioni nucleari, dalla fusione nucleare nelle stelle al decadimento radioattivo al centro della Terra.

Nonostante la loro elusività, si pensa che i neutrini siano le particelle più abbondanti dell’Universo. Aprossimativamente un migliaio di trilioni di neutrini attraversano i nostri corpi ogni secondo.

(Puoi saperne di più sui neutrini sul sito dedicato “all things neutrinos” creato dal Fermilab).

Progettazione di Hyper‑Kamiokande

Da Kamiokande → Super‑K → Hyper‑K

Hyper‑Kamiokande è l’erede di Kamiokande e Super‑Kamiokande, le versioni precedenti più piccole dei rivelatori di neutrini costruiti nello stesso sito di ricerca in Giappone, rispettivamente nel 1983 e nel 1996.

Kamiokande è stato il primo osservatorio a rilevare neutrini da un’esplosione di supernova e dal nostro Sole, creando il campo dell’astronomia dei neutrini.

Super‑Kamiokande è stato responsabile della scoperta delle oscillazioni dei neutrini, dimostrando che i neutrini hanno massa.

Il nucleo del rivelatore Hyper‑Kamiokande consiste in un serbatoio cilindrico con una profondità d’acqua di 71 m e un diametro di 68 m. Questo lo renderà il più grande serbatoio d’acqua sotterraneo al mondo.

Ciascuna iterazione del concetto è diventata più grande e più massiccia, migliorando la qualità delle capacità di rilevazione dei neutrini. Per esempio, Kamiokande usava 4 500 tonnellate d’acqua, Super‑Kamiokande 50 000 tonnellate, e Hyper‑Kamiokande ne userà 260 000.

Fonte: Hyper‑Kamiokande

Sui muri del serbatoio d’acqua sono stati installati 20 000 foto‑sensori ultra‑sensibili e 1 000 foto‑sensori a “occhio composto” per rilevare la debole luce Cherenkov generata nell’acqua. Questo è circa 4 volte più di Super‑Kamiokande e 40 volte più di Kamiokande.

I tubi fotomoltiplicatori sono come i pixel di una fotocamera ultra‑performante. Grazie a ciò, Hyper‑Kamiokande è una gigantesca fotocamera in grado di catturare anche un singolo fotone. Sono talmente sensibili da poter catturare la luce di una torcia sulla superficie della Luna.

Questi risultati sono stati ottenuti grazie a un design migliorato dei foto‑sensori, che può sopportare il doppio della pressione dell’acqua e ha metà dell’attività radioattiva di fondo residua rispetto alle versioni precedenti.

Cherenkov in acqua: trasformare le tracce in luce

Il concetto chiave della serie di osservatori Kamiokande è il “rivelatore Cherenkov in acqua”. Rileva una debole luce blu‑azzurra emessa da particelle cariche che viaggiano nell’acqua più velocemente della luce nell’acqua (che è più lenta dell’aria o del vuoto).

Quando un neutrino colpisce gli atomi nell’acqua, crea particelle cariche e radiazione Cherenkov a forma di cono lungo il loro percorso.

Il timing e l’intensità dei segnali luminosi sono usati per ricostruire le proprietà della particella originale.

Andare sottoterra

Hyper‑Kamiokande è costruito sotto una montagna per ridurre le interferenze da altre particelle diverse dai neutrini. I raggi cosmici, la radioattività e altre interferenze potrebbero creare un segnale simile a quello dei neutrini che colpiscono le molecole d’acqua.

Una volta sotto uno spesso strato di roccia, l’impatto di queste altre fonti di energia diventa trascurabile, lasciando solo i neutrini elusivi come possibili cause.

Fonte: Hyper‑Kamiokande

Il motivo del volume d’acqua così massiccio è che i neutrini interagiscono molto raramente con la materia. Quindi più “massa reattiva”, più possibilità che avvenga un’interazione rilevabile.

Per aumentare ulteriormente la probabilità di una reazione con i neutrini in transito, si aggiunge al liquido gadolinio solubile sotto forma di solfato di gadolinio ottaidrato a una concentrazione dello 0,01 % in peso.

Fonte: Hyper‑Kamiokande

Quando un neutrino interagisce con l’acqua, può produrre neutroni. Gli atomi di gadolinio catturano questi neutroni grazie al loro grande coefficiente di cattura, emettendo un raggio gamma rilevabile.

Fonte: Hyper‑Kamiokande

Il gadolinio è presente naturalmente nel suolo giapponese a una concentrazione di circa 3‑7 ppm, quindi il progetto non è considerato una fonte di inquinamento in caso di perdite d’acqua.

Fascio J‑PARC + fonti naturali

Oltre ai neutrini naturali come quelli atmosferici e solari, verrà utilizzato un fascio di neutrini ad alta intensità e alta qualità proveniente dall’acceleratore di particelle J‑PARC a Tokai.

Hyper‑Kamiokande dovrebbe osservare 20 volte più neutrini rispetto agli esperimenti precedenti grazie all’aumento della potenza del fascio J‑PARC. Hyper‑Kamiokande e J‑PARC sono separati da 295 km (183 miglia), distanza sufficiente per studiare il passaggio da un tipo di neutrino all’altro.

Fonte: Hyper‑Kamiokande

Ogni rivelatore Hyper‑Kamiokande è diviso in un “Rilevatore Interno” e un “Rilevatore Esterno”, otticamente separati tra loro.

Fonte: Hyper‑Kamiokande

Il Rilevatore Interno è il rivelatore principale, mentre il ruolo del Rilevatore Esterno è quello di respingere i muoni dei raggi cosmici incidenti, che costituiscono parte del fondo nelle misurazioni di decadimenti di nucleoni e neutrini. Oltre il 99,9 % dei muoni cosmici che raggiungono il rivelatore viene rimosso, dopo essere già stato pesantemente filtrato dalla montagna sovrastante.

(Per approfondire il design di Hyper‑Kamiokande, puoi consultare anche questo rapporto ufficiale completo di 282 pagine.)
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Note: Massa/dimensione e PMT e veto muoni da pagine Hyper‑K/SK; dati SK‑Gd da documenti SK‑Gd.

Calendario di Hyper‑Kamiokande

Il progetto è stato approvato nel 2020 e l’escavazione del tunnel è iniziata nel 2021, insieme alla produzione di massa dei tubi fotomoltiplicatori.

L’escavazione principale della caverna del rivelatore è stata completata a giugno 2025.

Fonte: Hyper‑Kamiokande

Da allora è iniziata la costruzione dell’osservatorio stesso, con le prime osservazioni previste per il 2028.

Va notato che, sebbene complesso e molto potente, questo design è ormai ben compreso e viene costruito relativamente rapidamente rispetto ad altri megaprogetti di fisica fondamentale e telescopi di nuova generazione.

Obiettivi di Hyper‑Kamiokande

L’obiettivo principale di Hyper‑Kamiokande è chiarire la storia dell’evoluzione dell’Universo e la Teoria del Grande Unificato della fisica, che unifica tutte le forze fondamentali dell’Universo in un’unica equazione, una condizione che si pensa sia esistita brevemente 0,00000000001 secondi dopo il Big Bang.

Fonte: Hyper‑Kamiokande

Neutrini solari e di supernova — e ricerche sulla materia oscura

Grazie al suo maggiore massa ed efficienza, Hyper‑Kamiokande potrà rilevare molti più neutrini provenienti dal nostro Sole e da stelle esplosive lontane.

Osservando tipi speciali di neutrini, potrà comprendere meglio le reazioni di fusione solare e realizzare la prima osservazione del flusso di neutrini HEP ad alta energia.

Le supernove sono l’altra grande fonte di neutrini nel cielo, generando enormi raffiche al momento dell’esplosione. Il 23 febbraio 1987, Kamiokande osservò neutrini da una supernova avvenuta nella Grande Nube di Magellano.

Fonte: Shio’s HP

Sfortunatamente, nessuna esplosione di supernova si verificò durante le esperienze con Super‑Kamiokande.

Grazie a un più ampio raggio di rilevazione, Hyper‑Kamiokande ha molte più probabilità di catturare esplosioni di supernova. Se una supernova avviene nella nostra galassia (10 kpc), Hyper‑Kamiokande potrà rilevare circa 50 000 neutrini.

Ciò dovrebbe fornire agli scienziati indizi non solo sui meccanismi dettagliati delle esplosioni di supernova, ma anche per approfondire la natura dei neutrini.

Hyper‑K e DUNE sono quasi perfettamente complementari nella sensibilità ai neutrini di supernova, con DUNE che rileva νₑ (tramite scattering su argon) e Hyper‑K ν̅ₑ (tramite decadimento beta inverso).

Hyper‑Kamiokande potrebbe persino rilevare lo sfondo diffuso di neutrini di supernova, proveniente da esplosioni molto distanti che hanno accumulato un flusso di neutrini lungo tutta la storia dell’Universo.

Queste radiazioni specifiche saranno particolarmente rilevate grazie all’aggiunta di gadolinio al rivelatore (decadimento beta inverso, invece dei soli neutrini da decadimenti di muoni).

Infine, la materia oscura potrebbe anche essere responsabile della produzione di neutrini. Se una tale sorgente di neutrini fosse rilevata in un luogo con alta concentrazione di materia oscura, come il centro della galassia, potrebbe aiutare a chiarire la natura della materia oscura.

Ricerca del decadimento dei protoni

L’occasionale decadimento dei protoni in particelle subatomiche più leggere, come un pione neutro e un positrone, è qualcosa che i fisici cercano di provare e misurare sin dalla costruzione del Kamiokande originale.

In particolare, Hyper‑Kamiokande potrà rilevare il raggio gamma da 2,2 MeV prodotto dalla cattura di neutroni sull’idrogeno, un evento di rilevazione distinto da quello causato dai neutrini.

Se il rivelatore misura il decadimento dei protoni, non solo dimostrerà che avviene, ma aiuterà a stimare il tasso di questo decadimento, che è stato rivisto al rialzo quando Super‑Kamiokande non ne ha rilevato, oltre a capire come decadono.

Se ancora non si rileva nulla, ciò costringerà i fisici a capire perché i protoni decadono ancora meno di quanto pensato, o forse nemmeno affatto.

Nessuno conosce la risposta su quando il decadimento dei protoni possa essere osservato o se si verifichi davvero. Tuttavia, non possiamo andare avanti senza condurre realmente l’esperimento.

Credo che i protoni decadano. Speriamo che i lettori attendano il giorno in cui il decadimento dei protoni sarà scoperto.

Dr. Masato Shiozawa, il co‑portavoce di Hyper‑Kamiokande.

Violazione CP: Perché la materia ha vinto

All’origine dell’Universo, i fisici pensano che sia stata creata la stessa quantità di materia e antimateria.

Le oscillazioni dei neutrini potrebbero differire da quelle degli antineutrini, un fenomeno ipotetico chiamato violazione CP, o la rottura della simmetria di Carica-Parità (CP).

Fonte: Hyper‑Kamiokande

La violazione CP è già stata confermata per i quark (i costituenti di protoni e neutroni). Tuttavia, questo da solo rappresenta solo un trilionesimo della differenza necessaria per creare l’attuale Universo.

I neutrini e gli antineutrini creati nell’acceleratore di particelle J‑PARC saranno fondamentali per questo esperimento.

Hyper‑Kamiokande prevede di aumentare l’intensità del fascio J‑PARC di un fattore 2,5 rispetto a Super‑Kamiokande, per ridurre gli errori dovuti a dati insufficienti e aumentare il numero di misurazioni, migliorando ulteriormente l’affidabilità.

Si prevede che sarà possibile determinare se la simmetria CP è rotta o meno per i neutrini entro 10 anni, con risultati negli anni 2030.

Conclusione

Osservatori di neutrini come Hyper‑Kamiokande, DUNE e JUNO saranno probabilmente esperimenti scientifici molto importanti per risolvere definitivamente le domande di fisica rimaste senza risposta per decenni, e che hanno ostacolato lo sviluppo di ulteriori progressi nella fisica teorica.

Pur sembrando distante dalle nostre preoccupazioni quotidiane, molte delle nostre tecnologie all’avanguardia hanno effettivamente bisogno di una migliore comprensione dei neutrini per progredire.

Ad esempio, un chip di calcolo quantistico (Majorana‑1) costruito recentemente da Microsoft (MSFT )

ha letteralmente creato un nuovo stato della materia (topoconductori) usando una particella Majorana, un tipo di particella che è la propria antiparticella.

Allo stesso modo, comprendere meglio la reazione di fusione del Sole potrebbe aiutarci a sbloccare la fusione artificiale.

Quindi una migliore comprensione dei neutrini, dell’antimateria o della materia oscura non è solo un gigantesco progetto scientifico, ma può avere applicazioni molto dirette nello sviluppo di nuove tecnologie rivoluzionarie come il calcolo quantistico o le centrali a fusione.

Investire nella scienza dei neutrini

1. Microsoft

Microsoft è una delle più grandi aziende tecnologiche al mondo, con un quasi monopolio sui sistemi operativi e una posizione molto forte nel software B2B, tramite Office365, Azure, LinkedIn, oltre a una forte presenza nei videogiochi (Xbox e molti dei più grandi studi di videogiochi), pubblicità e strumenti di programmazione (GitHub).

L’azienda è anche molto attiva nell’IA, in particolare con il dispiegamento del suo Copilot AI in tutti i prodotti. Gli sforzi di Microsoft nell’IA sono iniziati con una collaborazione con OpenAI e ora sono più autonomi.

Fonte: Microsoft

Microsoft è anche attiva nel calcolo quantistico, con l’impressionante annuncio del suo chip Majorana‑1.

Quando raffreddati quasi allo zero assoluto e sintonizzati con campi magnetici, questi dispositivi formano nanofili superconduttori topologici, contenenti i cosiddetti Majorana Zero Modes (MZM) alle estremità dei fili.

Fonte: Microsoft

(Puoi leggere di più sulle attività commerciali e le opportunità di Microsoft nel nostro rapporto di investimento dedicato all’azienda.)

2. Neutrino Energy

Sebbene ricca di potenziali applicazioni future, la scienza dei neutrini sembra ancora lontana dall’essere utilizzata direttamente in ambito commerciale.

Questo potrebbe cambiare, secondo una startup privata tedesca molto ambiziosa, Neutrino Energy.

L’azienda sta esplorando il concetto molto nuovo di neutrinovoltaico, ovvero la generazione di elettricità dal flusso costante di neutrini intorno a noi. Il funzionamento si basa su uno strato di grafene, un materiale 2D di carbonio (segui il link per una spiegazione completa dei materiali 2D come il grafene o il goldene).

Questo metodo mira a convertire il movimento costante degli atomi di grafene, influenzato dalle radiazioni e dalle particelle circostanti come i neutrini, in elettricità utilizzabile. Sebbene promettente in teoria, il processo è ancora non provato e rimane altamente sperimentale. Un fenomeno simile avviene nel grafene, con i neutrini che “spingono” i nuclei atomici, come avviene con gli atomi di argon nel rivelatore di neutrini DUNE.

L’azienda ha annunciato il suo prossimo primo prototipo, chiamato Powercube, che dovrebbe dimostrare la tecnologia sviluppata con l’assistenza dell’IA.

L’azienda ha anche collaborato con il Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) in India, con l’obiettivo di “creare un veicolo elettrico auto‑ricaricante alimentato da tecnologia neutrinovoltaica”.

È difficile capire quanto sia vicino a una commercializzazione il concetto, poiché al momento è solo un’idea con poche informazioni sul potenziale output energetico o sull’economia.

È anche così straordinario nella sua affermazione di una fonte di energia infinita e senza carburante che è necessario un forte scetticismo, soprattutto considerando il livello molto basso di interazione dei neutrini con altre forme di materia.

Ma questo è sicuramente il più vicino a una “azienda di neutrini” attualmente sul mercato, con il rischio di una presentazione ingannevole del potenziale della tecnologia da tenere presente da parte degli investitori potenziali.