Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande ist der Nachfolger von Super-Kamiokande und wird derzeit in der Präfektur Gifu in Japan gebaut. Mit rund 258.000 Tonnen Wasser wird er der größte Detektor seiner Bauart — etwa das Achtfache seines Vorgängers.

Die Bauart

Das Prinzip bleibt dasselbe, das dem Nobelpreis 2015 zugrunde lag. Ein großer Tank mit sehr reinem Wasser steht tief unter einem Berg. Trifft ein Neutrino ein Elektron oder einen Atomkern, entsteht ein geladenes Teilchen, das sich im Wasser schneller bewegt als das Licht in diesem Medium. Es zieht dabei einen Lichtkegel hinter sich her — Tscherenkow-Strahlung —, der auf der Tankwand einen Ring zeichnet.

Aus der Lage des Rings folgt die Richtung, aus seiner Helligkeit die Energie, aus seiner Schärfe die Teilchenart.

Der Tank misst rund 68 Meter im Durchmesser und 71 Meter in der Höhe. Er liegt etwa 600 Meter unter dem Berg Nijuugo, wenige Kilometer vom bisherigen Standort entfernt.

Nicht nur größer

Der Zugewinn liegt nicht allein im Volumen. Die neuen Lichtsensoren erreichen etwa die doppelte Nachweisempfindlichkeit der bisherigen Röhren und eine deutlich bessere Zeitauflösung.

Beides zusammen bedeutet: Nicht nur mehr Ereignisse, sondern auch schärfere. Die Rekonstruktion eines Ereignisses wird genauer, die Unterscheidung zwischen Elektron und Myon sicherer — und beides ist für die Hauptfrage entscheidend.

Die Hauptfrage: CP-Verletzung

Wie schon bei T2K wird der Detektor Ziel eines Neutrinostrahls vom Beschleunigerzentrum J-PARC in Tokai sein, 295 Kilometer entfernt. Die Strahlleistung soll auf 1,3 Megawatt steigen.

Die Frage lautet: Verhalten sich Neutrinos und Antineutrinos unterschiedlich?

Dahinter steht eine der größten offenen Fragen überhaupt. Beim Urknall sollten Materie und Antimaterie in gleicher Menge entstanden sein und einander restlos vernichtet haben. Dass es Materie gibt — und damit Sterne, Planeten und uns — verlangt eine Asymmetrie. Im Quarksektor ist eine solche bekannt, aber sie reicht bei weitem nicht aus.

Der Leptonsektor ist der nächste Ort, an dem man sucht. T2K hat 2020 erste Hinweise geliefert; Hyper-Kamiokande soll die Frage mit fünffacher Signifikanz entscheiden.

Was der Detektor sonst leisten wird

Supernovae. Bei einer Sternexplosion in unserer Galaxie erwartet die Kollaboration einige zehntausend Ereignisse innerhalb von Sekunden. Zum Vergleich: SN 1987A lieferte weltweit insgesamt 24. Aus einer solchen Datenmenge ließe sich der Kollaps eines Sternkerns nahezu filmisch nachvollziehen — Sekunde für Sekunde, mit Energien und Richtungen.

Möglich wird zudem die Suche nach dem diffusen Supernova-Neutrinohintergrund, der Summe aller Sternexplosionen in der Geschichte des Weltalls. Sie wäre ein Blick auf die Sternentstehung über Milliarden Jahre hinweg.

Protonenzerfall. Die Frage, mit der die Kamioka-Detektoren einst begannen, bleibt offen. Hyper-Kamiokande soll die Untergrenze für die Lebensdauer des Protons um etwa eine Größenordnung anheben.

Atmosphärische und Sonnenneutrinos. Der Detektor arbeitet auch ohne Strahl weiter und misst atmosphärische Neutrinos sowie Sonnenneutrinos mit großer Statistik. Aus dem Durchgang durch die Erde lässt sich zusätzlich die Reihenfolge der Neutrinomassen eingrenzen.

Zwei Wege zum selben Ziel

Hyper-Kamiokande und DUNE gehen dieselben Fragen mit unterschiedlicher Technik an: Wasser gegen flüssiges Argon, 295 gegen 1.300 Kilometer Strecke.

Das ist kein Wettlauf, sondern gute Praxis. Beide Anordnungen haben verschiedene systematische Schwächen — der eine ist empfindlicher auf den MSW-Effekt beim Durchgang durch die Erdkruste, der andere sieht Ereignisse detaillierter. Kommen sie zum selben Ergebnis, ist es belastbar.

Stand

Der Aushub der Kaverne begann 2021. Nach derzeitiger Planung soll der Betrieb gegen Ende dieses Jahrzehnts aufgenommen werden. Beteiligt sind mehrere hundert Forschende aus über zwanzig Ländern.

Quellen

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