Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande est le successeur de Super-Kamiokande et se construit actuellement dans la préfecture de Gifu, au Japon. Avec environ 258 000 tonnes d'eau, il sera le plus grand détecteur de ce type — environ huit fois son prédécesseur.

Le type de détecteur

Le principe reste celui qui était au fondement du prix Nobel 2015. Une grande cuve d'eau très pure se trouve profondément sous une montagne. Lorsqu'un neutrino frappe un électron ou un noyau atomique, il naît une particule chargée qui se déplace dans l'eau plus vite que la lumière dans ce milieu. Elle traîne alors derrière elle un cône lumineux — le rayonnement Tcherenkov —, qui dessine un anneau sur la paroi de la cuve.

De la position de l'anneau découle la direction, de sa luminosité l'énergie, de sa netteté la nature de la particule.

La cuve mesure environ 68 mètres de diamètre et 71 mètres de hauteur. Elle se trouve à quelque 600 mètres sous le mont Nijuugo, à quelques kilomètres du site actuel.

Pas seulement plus grand

Le gain ne tient pas au seul volume. Les nouveaux capteurs de lumière atteignent environ le double de la sensibilité de détection des tubes précédents et une résolution temporelle nettement meilleure.

Les deux ensemble signifient : non seulement plus d'événements, mais aussi des événements plus nets. La reconstruction d'un événement devient plus précise, la distinction entre électron et muon plus sûre — et l'un comme l'autre sont décisifs pour la question principale.

La question principale : la violation CP

Comme déjà pour T2K, le détecteur sera la cible d'un faisceau de neutrinos venu du centre d'accélérateurs J-PARC à Tokai, à 295 kilomètres de là. La puissance du faisceau doit passer à 1,3 mégawatt.

La question est la suivante : les neutrinos et les antineutrinos se comportent-ils différemment ?

Derrière elle se tient l'une des plus grandes questions ouvertes qui soient. Lors du Big Bang, matière et antimatière auraient dû naître en quantités égales et s'annihiler entièrement. Que la matière existe — et avec elle les étoiles, les planètes et nous — exige une asymétrie. Dans le secteur des quarks, une telle asymétrie est connue, mais elle est loin de suffire.

Le secteur des leptons est le prochain endroit où l'on cherche. T2K a livré de premiers indices en 2020 ; Hyper-Kamiokande doit trancher la question avec une signification cinq fois plus grande.

Ce que le détecteur apportera par ailleurs

Supernovae. Lors d'une explosion d'étoile dans notre galaxie, la collaboration attend quelques dizaines de milliers d'événements en quelques secondes. À titre de comparaison : SN 1987A en a livré 24 au total dans le monde entier. Une telle masse de données permettrait de suivre l'effondrement d'un cœur stellaire presque comme un film — seconde après seconde, avec les énergies et les directions.

Devient possible en outre la recherche du fond diffus de neutrinos de supernova, la somme de toutes les explosions d'étoiles dans l'histoire de l'univers. Ce serait un regard sur la formation des étoiles à travers des milliards d'années.

Désintégration du proton. La question par laquelle les détecteurs de Kamioka ont commencé jadis reste ouverte. Hyper-Kamiokande doit relever d'environ un ordre de grandeur la limite inférieure de la durée de vie du proton.

Neutrinos atmosphériques et solaires. Le détecteur travaille aussi sans faisceau et mesure les neutrinos atmosphériques ainsi que les neutrinos solaires avec une grande statistique. Le passage à travers la Terre permet de plus de restreindre l'ordre des masses des neutrinos.

Deux voies vers le même but

Hyper-Kamiokande et DUNE abordent les mêmes questions avec des techniques différentes : l'eau contre l'argon liquide, 295 contre 1 300 kilomètres de trajet.

Ce n'est pas une course, mais une bonne pratique. Les deux dispositifs ont des faiblesses systématiques différentes — l'un est plus sensible à l'effet MSW lors du passage à travers la croûte terrestre, l'autre voit les événements plus en détail. S'ils parviennent au même résultat, celui-ci est solide.

État des travaux

Le creusement de la caverne a commencé en 2021. Selon la planification actuelle, l'exploitation doit débuter vers la fin de cette décennie. Plusieurs centaines de chercheuses et de chercheurs de plus de vingt pays y participent.

Termes associés

• Super-Kamiokande — le prédécesseur
• DUNE — le pendant américain
• T2K — le faisceau venu de Tokai
• Takaaki Kajita — prix Nobel avec le détecteur précédent

Sources

• Collaboration Hyper-Kamiokande : Hyper-Kamiokande Design Report, arXiv:1805.04163 (2018).