Voir la source de Hyper-Kamiokande

{{bâtiment à venir}}
{{Infobox Observatoire}}

[[Fichier:HK experiment overview.jpg|thumb|Aperçu de l'expérience Hyper-Kamiokande]]

'''Hyper-Kamiokande''' (également appelé '''Hyper-K''' ou '''HK''') est à la fois un [[observatoire de neutrinos]] et le nom d'une expérience en construction à [[Hida (Gifu)|Hida]], dans la [[préfecture de Gifu]], et à [[Tōkai (Ibaraki)|Tokai]] dans la [[préfecture d'Ibaraki]], au [[Japon]]. Elle est conduite par l'[[université de Tokyo]] et par l'Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (connue sous le nom de [[KEK (centre de recherche)|KEK]]), en collaboration avec des instituts de plus de vingt pays répartis sur six continents<ref name="hkoverview">{{lien web|titre=Hyper-Kamiokande website: Overview|url=https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/outline/}}</ref>{{,}}<ref>{{lien web|titre=Hyper-Kamiokande website: Collaboration Institutes|url=https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/collaboration/}}</ref>.

En tant que successeur des expériences [[Super-Kamiokande]] (également Super-K ou SK) et [[T2K]], elle est conçue pour rechercher la [[désintégration du proton]] et détecter les neutrinos provenant de sources naturelles tels que les [[géoneutrino]]s, les [[Problème des neutrinos atmosphériques|neutrinos atmosphériques]], les [[Neutrino solaire|neutrinos solaires]] et les [[Neutrino cosmique|neutrinos cosmiques]], ainsi que pour étudier les [[Oscillation des neutrinos|oscillations des neutrinos]] d'un faisceau produit par un accélérateur<ref name="1805.04163">{{lien arXiv|auteur=Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration |titre=Hyper-Kamiokande Design Report |date=28 November 2018 |class=physics.ins-det |eprint=1805.04163}}</ref>{{rp|6,20–28}}.

Le début de la prise de données est prévu pour 2027<ref name="hkapproved">{{article| périodique= Kamioka Observatory ICRR, The University of Tokyo | date= 12 February 2018  | titre= Kamioka Observatory website: The Hyper-Kamiokande project is officially approved| url= https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/detail/300}}</ref>.
== Localisation ==
L'expérience Hyper-Kamiokande sera située en deux endroits :
* Le faisceau de neutrinos sera produit dans le complexe d'accélérateurs du [[J-PARC]] ({{Coord|36.445|N|140.606|E|source:kolossus-dewiki|display=inline}}) et étudié par un ensemble de détecteurs proches et intermédiaires situés dans le village de [[Tōkai (Ibaraki)|Tokai]], dans la [[préfecture d'Ibaraki]], sur la côte est du Japon<ref name="1805.04163"/>{{rp|31}}.
* Le détecteur principal, également appelé Hyper-Kamiokande (HK), est en cours de construction sous le pic du mont Nijuugo dans la ville de [[Hida (Gifu)|Hida]], dans la [[préfecture de Gifu]], dans les [[Alpes japonaises]] ({{coord|36|21|20.105|N|137|18|49.137|E|region:JP-21_type:landmark|display=inline|notes=<ref name="1805.04163"/>{{rp|56}}}}). Le détecteur HK sera utilisé pour les recherches de désintégration du proton, les études des neutrinos provenant de sources naturelles et servira de détecteur lointain pour la mesure des oscillations du faisceau de neutrinos à la distance correspondant au premier maximum d'oscillation<ref name="1805.04163"/>{{rp|53–56}}<ref name="hk_lodovico"/>.

== Programme de physique ==

=== Oscillations des neutrinos atmosphériques et des neutrinos issus d'accélérateur ===

L'[[oscillation des neutrinos]] est un phénomène de [[mécanique quantique]] dans lequel les neutrinos changent de saveur (les états propres de saveur ou d'interaction sont le [[neutrino électronique]] <math>\nu_e</math>, le neutrino muonique <math>\nu_\mu</math> et le neutrino tauique <math>\nu_\tau</math>) lors de leur propagation puisque ces états de saveur sont un mélange d'états propres de masse (<math>\nu_1</math>, <math>\nu_2</math> et <math>\nu_3</math> avec les masses associées <math>m_1</math>, <math>m_2</math> et <math>m_3</math>). Les probabilités d'oscillation dépendent de six paramètres du [[modèle standard de la physique des particules]] :
* trois angles de mélange (<math>\theta_{12}</math>, <math>\theta_{23}</math>, et <math>\theta_{13}</math>) qui gouvernent le mélange entre les états propres de masse et de saveur,
* deux différences de masses carrées (<math>\Delta m^2_{21}</math> et <math>\Delta m^2_{32}</math>, avec <math>\Delta m^2_{ij} = m^2_i - m^2_j</math>),
* une phase (<math>\delta_\text{CP}</math>) qui est responsable de l'[[Violation de CP|asymétrie matière-antimatière]] (violation de la [[symétrie CP]]) dans les oscillations de neutrinos,
ainsi que de deux paramètres qui dépendent de l'expérience considérée :
* l'énergie des neutrinos,
* la longueur de base ("baseline" en anglais), qui est la distance parcourue par les neutrinos au point où les oscillations sont mesurées<ref name="pdg">{{article|auteur=Particle Data Group and Workman |titre=Review of Particle Physics |journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics |date=August 2022 |volume=2022 |numéro=8 |pages=083C01 |doi=10.1093/ptep/ptac097|accès doi=libre |hdl=11585/900713 |accès hdl=libre }}</ref>{{rp|285–311}}<ref name="1805.04163"/>{{rp|20–23}}.

Poursuivant les études menées par l'expérience [[T2K]], le détecteur lointain HK mesurera les spectres en énergie des neutrinos électroniques et muoniques du faisceau (initialement produit comme un faisceau quasi-pur de neutrinos muoniques) et les comparera avec les prédictions théoriques calculées sans phénomène d'oscillation. Ces prédictions théoriques dépendent du flux initial de neutrinos ainsi que des modèles d'interaction qui sont contraints par les mesures effectuées par les détecteurs proches et intermédiaires. A l'énergie du faisceau de neutrinos de HK/T2K (600 MeV) et à une distance entre le J-PARC et le détecteur HK/SK (295 km), la mesure à lieu au premier maximum d'oscillation à la fréquence gouvernée <math>\Delta m^2_{32}</math>. Le faisceau de neutrinos du J-PARC peut fonctionner en deux modes distinct dans lesquels sont produits des neutrinos ou des antineutrinos. La mesure des oscillations dans ces deux modes fournira des informations sur la probabilité de survie des (anti)neutrinos muoniques <math>P_{\nu_\mu\rightarrow\nu_\mu}</math> (<math>P_{\overline{\nu}_\mu\rightarrow\overline{\nu}_\mu}</math>), ainsi que la probabilité d'apparition <math>P_{\nu_\mu\rightarrow\nu_e}</math> (<math>P_{\overline{\nu}_\mu\rightarrow\overline{\nu}_e}</math>) des (anti)neutrinos électroniques où <math>P_{\nu_\alpha\rightarrow\nu_\beta}</math> représente la probabilité qu'un neutrino produit initialement avec une saveur <math>\alpha</math> soit détecté plus loin avec une saveur <math>\beta</math><ref name="1805.04163"/>{{rp|202–224}}.

[[Fichier:Hk cp exclusion ability.png|thumb|Capacité de l'expérience Hyper-K d'exclure la conservation de la symétrie CP en fonction de la valeur vraie de <math>\delta_\text{CP}</math>]]

La comparaison des probabilités d'apparition des neutrinos et des antineutrinos électroniques (<math>P_{\nu_\mu\rightarrow\nu_e}</math> versus <math>P_{\overline{\nu}_\mu\rightarrow\overline{\nu}_e}</math>) permet de mesurer la phase <math>\delta_\text{CP}</math>. Celle-ci varie de <math>-\pi</math> à <math>\pi</math> (de -180° à +180°) et les valeurs <math>0</math> et <math>\pm\pi</math> correspondent à la consrvation de la symétrie CP. Après 10 années de prise de données, HK devrait confirmer à un niveau de confiance d'au moins <math>5\sigma</math> si la symétrie CP est violée dans les oscillations de neutrinos pour 57% des valeurs possibles de <math>\delta_\text{CP}</math>. La violation de cette symétrie est l'une des conditions nécessaires pour produire un excès de matière (supposée avoir été produite en quantité égale avec l'antimatière) dans l'univers primordial, ayant pour conséquence l'univers composé uniquement de matière que l'on observe aujourd'hui. Les neutrinos du faisceau seront également utilisés pour améliorer la précision de la mesure des autres paramètres d'oscillation, <math>|\Delta m^2_{32}|</math>, <math>\theta_{23}</math> et <math>\theta_{13}</math>, et pour réaliser des mesures des paramètres des modèles d'interaction des neutrinos.

La détermination de la hiérarchie des masses des neutrinos (c'est-à-dire de savoir si l'état propre de masse <math>\nu_3</math> est plus léger ou plus lourd que les états <math>\nu_1</math> et <math>\nu_2</math>) ou de façon équivalente la mesure du signe (encore inconnu) du paramètre <math>\Delta m^2_{32}</math> se fait en observant la propagation des neutrinos dans la matière. Dans les conditions du faisceau de neutrinos de HK ({{unité|295 km}}, {{unité|600 MeV}}) les [[Effet Mikheïev-Smirnov-Wolfenstein|effets de matière]] sont relativement faibles. L'expérience HK mesure également les oscillations des neutrinos atmosphériques. Les neutrinos atmosphériques sont les neutrinos produits (conjointement avec d'autres particules) lors des interactions des [[Rayonnement cosmique|rayonnements cosmiques]] primaires avec l'atmosphère terrestre. Puisque ces interactions ont lieu tout autour du globe, HK a accès à des neutrinos ayant parcouru une large gamme de distances allant de quelques centaines de mètres jusqu'au [[Rayon de la Terre|diamètre de la Terre]]. Puisque ces neutrinos subissent des effets de matière beaucoup plus importants, ils peuvent être utilisés pour déterminer la hiérarchie des masses des neutrinos<ref name="1805.04163"/>{{rp|225–237}}.

En résumé, c'est l'analyse combinée des oscillations des neutrinos de faisceau et des neutrinos atmosphériques qui fournira la sensibilité la plus élevées aux paramètres d'oscillation <math>\delta_\text{CP}</math>, <math>|\Delta m^2_{32}|</math>, <math>\text{signe}(\Delta m^2_{32})</math>, <math>\theta_{23}</math> et <math>\theta_{13}</math><ref name="1805.04163"/>{{rp|228–233}}.

=== Astronomie neutrino et géoneutrinos ===

Les [[Supernova à effondrement de cœur|supernovas à effondrement de cœur]] produisent de grandes quantités de neutrinos. Pour une supernova située dans la [[galaxie d'Andromède]], entre {{nombre|10 et 16 événements}} neutrinos sont attendus dans le détecteur HK. Pour une supernova [[Voie lactée|galactique]] située à une distance de {{unité|10 kpc}}, de {{unité|50000 à 94000 interactions}} de neutrinos sont attendues en quelques dizaines de secondes. Si [[Bételgeuse]], située à une distance de {{unité|0.2 kpc}}, finissait sa vie en supernova, ce taux pourrait atteindre jusqu'à <math>10^8</math> interactions par seconde. Un tel taux d'événements a été pris en compte dans la conception de l'électronique et du [[système d'acquisition de données]] (DAQ) du détecteur, ce qui signifie qu'aucune donnée ne serait perdue même pour un tel phénomène. Les profils temporels du nombre d'événements enregistrés dans HK et leur énergie moyenne permettent de tester différents modèles d'explosion. Les informations directionnelles des neutrinos dans le détecteur lointain HK peuvent fournir une alerte précoce afin d'informer les autres observatoires pour la détection des ondes électromagnétiques émises par la supernova dans le paradigme des [[Astronomie multimessager|observations multi-messagers]]<ref name="1805.04163"/>{{rp|263–280}}<ref>{{article| auteur = the Hyper-Kamiokande collaboration| date = Jan 13, 2021| titre = Supernova Model Discrimination with Hyper-Kamiokande| arxiv = 2101.05269| url = https://inspirehep.net/literature/1840585| journal = Astrophys. J.| volume = 916| numéro = 1| pages = 15| doi = 10.3847/1538-4357/abf7c4| bibcode = 2021ApJ...916...15A| accès doi = libre}}</ref>.

Les neutrinos qui ont été produits par toutes les supernovas à effondrement de cœur tout au long de l'histoire de l'univers sont appelés neutrinos reliques de supernova (SRN) ou [[Fond diffus de neutrinos de supernovae|fond diffus de neutrinos de supernovas]] (DSNB). Ils portent non seulement des informations sur le mécanisme d'explosion des étoiles encore mal connu mais également des informations sur l'histoire de la formation des étoiles et sur l'évolution de l'univers. En raison de leur faible flux (quelques dizaines/cm²/s), ceux-ci n'ont pas encore été découverts bien que des recherches soient actuellement en cours avec la phase au gadolinium de Super-K. Avec dix années de prise de données, HK devrait détecter environ {{nobr|40 événements}} DSNB dans la plage d'énergie allant de {{unité|16 à 30 MeV}}<ref name="1805.04163"/>{{rp|276–280}}<ref>{{article| nom1 = Yano| prénom1 = Takatomi| année = 2021| titre = Prospects for neutrino astrophysics with Hyper-Kamiokande| url = https://inspirehep.net/literature/1930815| journal = PoS| volume = ICRC2021| pages = 1193| doi = 10.22323/1.395.1193| accès doi = libre| hdl = 20.500.11850/589619| accès hdl = libre}}</ref>.

En ce qui concerne les neutrinos solaires (de type <math>\nu_e</math>), les objectifs expérimentaux de HK sont :
* La recherche d'une asymétrie jour-nuit dans le flux de neutrinos qui résulte des différentes distances parcourue dans la matière (pendant la nuit, les neutrinos traversent une bien plus importante [[quantité de matière]] avant d'entrer dans le détecteur puisque le Soleil est sous l'horizon) et donc de probabilité d'oscillations différentes en raison des effets de matière<ref name="1805.04163"/>{{rp|238–244}}.
* La mesure de la probabilité de survie des <math>\nu_e</math> pour des énergies de neutrinos comprises entre {{unité|2 et 7 MeV}} {{incise|c'est-à-dire entre les régions dominées respectivement par les oscillations dans le vide (à basse énergie) et les oscillations dans la matière (à plus haute énergie)|stop}}. Cette région est particulièrement sensible à de nouveaux phénomènes de physique au-delà du [[Modèle standard de la physique des particules|modèle standard]], comme l'existence de [[neutrino stérile|neutrinos stériles]] ou de nouvelles interactions<ref name="1805.04163"/>{{rp|238–244}}{{,}}<ref>{{article| auteur = Maltoni, Michele and Smirnov, Alexei Yu.| date = Jul 19, 2015| titre = Solar neutrinos and neutrino physics| arxiv = 1507.05287| url = https://inspirehep.net/literature/1383834| journal = Eur. Phys. J. A| volume = 52| numéro = 4| pages = 87| doi = 10.1140/epja/i2016-16087-0| s2cid = 254115998}}</ref>.
* La première observation de la branche ''hep'', <math>{^3}\text{He} + \text{p} \to {^4}\text{He} + \text{e}^+ +\operatorname{\nu}_\text{e}</math> de la [[Chaîne proton-proton|chaîne ''pp'']] prédite par le [[modèle solaire standard]]<ref name="1805.04163"/>{{rp|238–244}}.
* La comparaison du flux de neutrinos avec l'activité solaire (par exemple, le cycle solaire de {{nobr|11 ans}})<ref>{{lien web| url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/research/| titre= Hyper-Kamiokande website: Cosmic Neutrino Observation: Solar neutrinos}}</ref>.

Les [[géoneutrino]]s sont produits dans les désintégrations des [[Radioisotope|radionucléides]] présents à l'intérieur de la Terre. Les études des géoneutrinos par Hyper-Kamiokande aideront à évaluer la composition chimique du [[noyau terrestre]] en lien avec la génération du [[Champ magnétique terrestre|champ géomagnétique]]<ref name="1805.04163"/>{{rp|292–293}}.

=== Désintégration du proton ===

La [[Désintégration du proton|désintégration d'un proton]] libre en [[Particule subatomique|particules subatomiques]] plus légères n'a jamais été observée, mais elle est prédite par certaines théories de [[grande unification]] (GUT) et résulte de la violation du [[nombre baryonique]] (B). La violation de B est l'une des conditions nécessaires pour expliquer la [[Asymétrie baryonique|prédominance de la matière sur l'antimatière]] dans l'univers. Les principaux canaux étudiés par HK sont <math> p \to e^+ + \pi^0 </math> favorisé dans la plupart des modèles de GUT, et <math> p \to \nu + K^+ </math> prédit par des théories incluant la [[supersymétrie]]<ref>
{{article
 |nom1 = Mine           |prénom1 = Shunichi
 |année = 2023
 |titre = Nucleon decay: theory and experimental overview
 |journal = Zenodo
 |doi = 10.5281/zenodo.10493165
}}
</ref>.

Avec dix années de prise de données (dans le cas où aucune désintégration ne serait observée), on s'attend à ce que HK augmente la limite inférieure de la durée de vie moyenne du proton de <math>1,6\times10^{34}</math> à <math>6,3\times10^{34}</math> années pour son canal de désintégration le plus sensible (<math> p \to e^+ + \pi^0 </math>) et de <math>0,7\times10^{34}</math> à <math>2.0\times10^{34}</math> années pour le canal <math> p \to \nu + K^+ </math><ref name="1805.04163"/>{{,}}<ref>{{article|auteur1 = K. S. Babu | auteur2 = E. Kearns |auteur3 = U. Al-Binni |titre = Baryon Number Violation |journal = Proceedings, 2013 Community Summer Study on the Future of U.S. Particle Physics: Snowmass on the Mississippi (CSS2013) |date = 2013-11-20 |lieu = Minneapolis, MN, USA |arxiv = 1311.5285}}</ref>.

=== Matière noire ===

La [[matière noire]] est une forme hypothétique de matière non lumineuse proposée pour expliquer de nombreuses observations astronomiques suggérant l'existence d'une masse invisible supplémentaire dans les galaxies. Si les particules de matière noire interagissent faiblement, elles peuvent produire des neutrinos par [[Annihilation (physique)|annihilation]] ou par désintégration. Ces neutrinos pourraient être observés dans le détecteur HK sous la forme d'un excès de neutrinos provenant de directions présentant de forts [[Champ gravitationnel|potentiels gravitationnels]] tels que le [[centre galactique]], le [[Soleil]] ou la [[Terre]], par rapport à un fond isotrope de neutrinos atmosphérique<ref name="1805.04163"/>{{rp|281–286}}.

== Description de l'expérience ==

L'expérience Hyper-Kamiokande se compose d'une ligne de faisceau de neutrinos, d'un ensemble de détecteurs proches, d'un détecteur intermédiaire et du détecteur lointain (également appelé Hyper-Kamiokande). Le détecteur lointain seul sera utilisé pour les recherches sur la désintégration du proton et l'étude des neutrinos provenant de sources naturelles. Tous ces éléments serviront aux études sur les oscillations des neutrinos issus de faisceau. Avant le lancement de l'expérience HK, l'expérience T2K terminera sa prise de données et HK reprendra la ligne de faisceau existante ainsi et l'ensemble de détecteurs proches. Les détecteurs intermédiaire et lointain devront quant à eux être construits<ref name="panic2021">{{lien web|nom1=Vilela |prénom1=Cristovao |titre=The status of T2K and Hyper-Kamiokande experiments |url=https://indico.lip.pt/event/592/contributions/3550/ |website=PANIC 2021 Conference |date=September 5–10, 2021 |consulté le=2021-09-29 |archive-date=2021-09-29 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210929161023/https://indico.lip.pt/event/592/contributions/3550/ }}</ref>.

{{multiple image
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| image1 = Numu flux iwcd.png
| caption1 = Flux de neutrinos muoniques au niveau du détecteur IWCD pour différents angles hors-axe
| image2 = Nue flux iwcd.png
| caption2 = Flux de neutrinos électroniques au niveau du détecteur IWCD pour différents angles hors-axe
}}

=== Ligne de faisceau ===

{{Article détaillé|T2K#Production des Neutrinos}}
{{Article détaillé|T2K#Mise à jour du faisceau}}

=== Détecteurs proches ===
{{Article détaillé|T2K#Détecteur proche}}
{{Article détaillé|T2K#Amélioration de ND280}}

=== Le détecteur intermédiaire Tcherenkov à eau (IWCD) ===

Le détecteur intermédiaire Tcherenkov à eau (IWCD pour {{langue|en|Intermediate Water Cherenkov Detector}} en anglais) sera situé à environ {{nobr|750 mètres}} du lieu de production des neutrinos. Il prendra la forme d'un cylindre rempli d'eau, d'un diamètre de {{nobr|10 mètres}} et d'une hauteur de {{nobr|50 mètres}}. Il sera équipé d'une structure de {{nobr|10 mètres}} de hauteur instrumentée avec environ {{nobr|400 modules}} multi-PMT (mPMT), chacun composé de dix-neuf [[tube photomultiplicateur|tubes photomultiplicateurs]] (PMT) de {{nobr|8 centimètres}} de diamètre encapsulés dans une structure étanche à l'eau. La structure sera déplacée verticalement par un système de grue, permettant de mesurer les interactions des neutrinos à différents angles [[T2K#Hors axe|hors axe]] (angles par rapport au centre du faisceau de neutrinos), allant de 1° en bas à 4° en haut, et ainsi avoir accès à différents spectres en énergie des neutrinos<ref group=note>L'énergie moyenne des neutrinos diminue quand l'angle par rapport au faisceau augmente.</ref>. En [[combinaison linéaire|combinant]] les résultats des mesures à différents angles hors axe, il est possible d'obtenir la prédiction d'un spectre de neutrinos presque monoénergétique en limitant très fortement la dépendance aux modèles théoriques des interactions des neutrinos utilisés pour reconstruire leur énergie. L'utilisation d'un détecteur de même technologie que le détecteur lointain avec une acceptance angulaire et en impulsion quasiment identique permet de comparer les mesures obtenues par ces deux détecteurs sans recourir à des simulations de réponse de ces détecteurs. Ces deux principes, indépendance par rapport aux modèles d'interaction des neutrinos et indépendance de réponse du détecteur, permettront à HK de minimiser les erreurs systématiques dans l'analyse des oscillations de neutrinos. Un autre avantage de cette conception de détecteur est la possibilité de rechercher des motifs d'oscillation vers un [[neutrino stérile]] pour différents angles hors axe ainsi que d'obtenir un échantillon très pur d'interactions de neutrinos électroniques, dont la fraction est plus importante pour des angles hors axe plus grands<ref name="1805.04163"/>{{rp|47–50}}<ref>{{lien arXiv|auteur=nuPRISM Collaboration |titre=Letter of Intent to Construct a nuPRISM Detector in the J-PARC Neutrino Beamline |date=13 December 2014 |class=physics.ins-det |eprint=1412.3086}}</ref>{{,}}<ref>{{lien web|auteur=nuPRISM Collaboration |titre=Proposal for the NuPRISM Experiment in the J-PARC Neutrino Beamline |url=https://j-parc.jp/researcher/Hadron/en/pac_1607/pdf/P61_2016-17.pdf |date=7 July 2016 |consulté le=1 avril 2020 |archive-date=2 December 2020 |archive-url=https://web.archive.org/web/20201202213200/https://j-parc.jp/researcher/Hadron/en/pac_1607/pdf/P61_2016-17.pdf }}</ref>{{,}}<ref>{{lien web|auteur1=Mark Hartz |titre= Near Detectors for the Hyper-K Neutrino Experiment |url=https://indico.cern.ch/event/868940/contributions/3817119/ |website=40th International Conference on High Energy Physics (ICHEP 2020) |date=2020-07-29}}</ref>{{,}}<ref name="tau2023">{{lien web|auteur1=Umut Kose (on behalf of the Hyper-Kamiokande Collaboration) |titre=The Hyper-Kamiokande Experiment: Status and Prospect |url=https://indico.cern.ch/event/1303630/contributions/5620874/ |website=The 17th International Workshop on Tau Lepton Physics (TAU2023) |date=2023-12-07 |consulté le=2024-02-08}}</ref>.

=== Le détecteur lointain d'Hyper-Kamiokande ===

[[Fichier:Hyper-Kamiokande scheme.png|thumb|Schéma du détecteur lointain d'Hyper-Kamiokande, un détecteur Tcherenkov à eau]]

Le détecteur Hyper-Kamiokande sera construit à {{nobr|650 mètres}} sous le sommet de la montagne Nijuugo dans la mine de Tochibora, à {{nobr|8 kilomètres}} au sud du détecteur [[Super-Kamiokande]] (SK). Les deux détecteurs seront situés sur le même angle hors-axe (2,5°) par rapport au centre du faisceau de neutrinos et à la même distance ({{nobr|295 kilomètres}}) du lieu de production du faisceau au [[J-PARC]]<ref group=note>Le détecteur Super-Kamiokande est le détecteur lointain de l'expérience d'oscillation des neutrinos T2K. Néanmoins, Super-Kamiokande est également une expérience à part entière de recherche de la désintégration du proton et d'étude des neutrinos de sources naturelles.</ref>{{,}}<ref name="1805.04163"/>{{rp|35}}<ref name="hk_det">{{lien web| url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/about/detector/| titre=Hyper-Kamiokande website: Hyper-Kamiokande Detector}}</ref>.

[[Fichier:HK ID PMT.jpg|thumb|Maquette de la partie interne du détecteur d'Hyper-Kamiokande équipée de [[Tube photomultiplicateur|PMT]] R12860 de {{unité|50 cm}}]]

{{multiple image
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| image3            = Prototipo completo piccola.jpg
| caption3          = Prototype d'un mPMT pour la partie interne du détecteur lointain d'Hyper-Kamiokande
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| caption4          = Schéma d'un mPMT pour la partie interne du détecteur lointain d'Hyper-Kamiokande
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| caption5          = PMT de 3 pouces et plaque décaleuse de longueur d'onde pour la partie externe du détecteur lointain d'Hyper-Kamiokande
| image1            = 
}}

HK sera un détecteur [[effet Tcherenkov|Tcherenkov]] à eau, cinq fois plus grand ({{nobr|258 kilotonnes}} d'eau) que le détecteur SK. Il s'agit d'un réservoir cylindrique de {{nobr|68 mètres}} de diamètre et {{nobr|71 mètres}} de hauteur. Le volume du réservoir sera divisé en une partie interne ("ID", pour {{langue|en|Inner Detector}} en anglais) et une partie externe ("OD", pour {{langue|en|Outer Detector}} en anglais) par une structure cylindrique inactive de {{unité|60 cm}} de large. Celle-ci sera située avec son bord extérieur positionné à {{nobr|1 mètre}} des parois verticales et à {{nobr|2 mètres}} des parois horizontales du réservoir. La structure séparera optiquement l'ID de l'OD et contiendra des [[Tube photomultiplicateur|tubes photomultiplicateurs]] (PMT) regardant à la fois vers l'intérieur pour l'ID et vers l'extérieur pour l'OD. L'ID sera couvert d'au moins {{unité|20000 tubes}} photomultiplicateurs de {{nobr|50 centimètres}} de diamètre de type R12860 fabriqué par {{Lien|langue=en|Hamamatsu Photonics|texte=Hamamatsu}} et environ {{nobr|800 modules}} multi-PMT (mPMT). Chaque module mPMT comprend dix-neuf tubes photomultiplicateurs de {{nobr|8 centimètres}} de diamètre encapsulés dans un récipient étanche. L'OD quant à lui sera équipé d’au moins {{unité|3600 tubes}} photomultiplicateurs de {{nobr|8 centimètres}} de diamètre couplés à des plaques décaleuses de [[longueur d'onde]] de <math> 0,6\times30\times30</math> cm³ (les plaques collectent les photons incidents et les transporteront vers le PMT avec lesquelles elles sont couplées). Il servira de veto<ref group=note>Le veto est une partie d'un détecteur où aucune activité ne doit être enregistrée pour accepter un événement. Une telle exigence permet de limiter le nombre d'événements de bruit de fond dans un échantillon de signal.</ref> pour distinguer les interactions se produisant dans l'ID des particules provenant de l’extérieur du détecteur (principalement des [[muon]]s issus de rayons cosmiques)<ref name="hk_det"/>{{,}}<ref name="hk_photo">{{article| auteur = Jan Kisiel (Silesia U.) for the Hyper-Kamiokande collaboration | date = Jun 28, 2023 | titre = Photodetection and electronic system for the Hyper-Kamiokande Water Cherenkov detectors | url = https://inspirehep.net/literature/2675891 | journal = Nucl. Instrum. Meth. A | volume = 1055 | pages = 168482 | doi = 10.1016/j.nima.2023.168482| bibcode = 2023NIMPA105568482K | accès doi = libre }}</ref>{{,}}<ref name="tau2023"/>.

La construction du détecteur HK a commencé en 2020 et le début de la prise de données est prévu pour 2027. Des études ont également été menées sur la faisabilité et les avantages en termes de physique de la construction d'un deuxième [[détecteur Tcherenkov]] à eau identique en Corée du Sud, à environ {{unité|1100 km}} de J-PARC, qui serait opérationnel six ans après le premier réservoir<ref name="hk_lodovico">{{article| auteur = Francesca Di Lodovico (Queen Mary, U. of London) for the Hyper-Kamiokande collaboration| date = Sep 20, 2017| titre = The Hyper-Kamiokande Experiment| url = https://inspirehep.net/literature/1625581| journal = J. Phys. Conf. Ser.| volume = 888| numéro = 1| pages = 012020| doi = 10.1088/1742-6596/888/1/012020|bibcode=2017JPhCS.888a2020D|accès doi=libre}}</ref>{{,}}<ref name="second_tank_korea">{{article| auteur=Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration| date = June 20, 2019 | titre = Physics potentials with the second Hyper-Kamiokande detector in Korea | url = https://academic.oup.com/ptep/article/2018/6/063C01/5041972 | journal = Progress of Theoretical and Experimental Physics | volume = 2018 | numéro = 6 | pages = 063C01 | eprint =1611.06118 | doi = 10.1093/ptep/pty044}}</ref>.

== Historique et planning ==

[[Fichier:Hyper-Kamiokande detector construction schedule.png|thumb|Calendrier de construction du détecteur Hyper-Kamiokande]]

Histoire des grands détecteurs Tcherenkov à eau au Japon, et des expériences d'oscillation des neutrinos à longue distance associées à ceux-ci (HK étant exclu) :
* 1983-1996 : [[Kamiokande]] (Kamioka Nucleon Decay Experiment) - prédecesseur de [[Super-Kamiokande]], dont l'objectif principal était la recherche de la [[désintégration du proton]]. Le [[Prix Nobel de physique]] 2002 a été attribué à [[Masatoshi Koshiba]] pour la détection des neutrinos cosmiques<ref name="hkoverview"/>.
* 1996-présent : Expérience [[Super-Kamiokande]] – prédécesseur de l'expérience Hyper-Kamiokande, étudiant les neutrinos provenant de sources naturelles et recherchant la désintégration du proton. Le Prix Nobel de physique 2015 a été attribué à [[Takaaki Kajita]] pour la découverte du phénomène d'oscillation des neutrinos<ref name="hkoverview"/>.
* 1999-2004 : Expérience [[K2K]] – prédécesseur de l'expérience T2K.
* 2010-présent : Expérience [[T2K]] – le prédécesseur de l'expérience Hyper-Kamiokande, étudiant les oscillations des neutrinos de l'accélérateur.

Histoire de l'expérience Hyper-Kamiokande :
* Septembre 1999 : Présentation des premières idées d'une nouvelle expérience<ref>{{lien conférence|nom=Shiozawa|prénom=M.|titre=Study of 1-Megaton water Cherenkov detectors for the future proton decay search|date=23–25 September 1999|book-title=AIP Conf.Proc. 533 (2000) 1, 21–24|doi=10.1063/1.1361719|lieu= Stony Brook, NY, United States|conférence=International Workshop on Next Generation Nucleon Decay and Neutrino Detector (NNN99)}}</ref>.
* 2000 : Utilisation du nom « Hyper-Kamiokande » pour la première fois<ref>{{article|nom=Nakamura|prénom=K.|titre=HYPER-KAMIOKANDE: A next generation water Cherenkov detector for a nucleon decay experiment |url=https://inspirehep.net/literature/550304 |journal =Part of Neutrino Oscillations and Their Origin. Proceedings, 1st Workshop, Fujiyoshida, Japan, February 11–13|pages =359–363 |année =2000}}</ref>.
* Septembre 2011 : Soumission de la lettre d'intention (LOI, Letter of Intent en anglais)<ref>{{lien arXiv|auteur1=K. Abe|auteur2=T. Abe|auteur3=H Aihara|auteur4=Y. Fukuda| auteur5=Y. Hayato|display-authors=1 |titre=Letter of Intent: The Hyper-Kamiokande Experiment --- Detector Design and Physics Potential --- |date=15 September 2011 |class=hep-ex |eprint=1109.3262}}</ref>.
* Janvier 2015 : Signature du protocole d'accord (MoU, Memorandum of Understanding en anglais) pour la coopération dans le projet Hyper-Kamiokande par des instituts hôtes : {{Lien|langue=en|Institute for Cosmic Ray Research|texte=ICRR}} et [[KEK]]. Formation de la proto-collaboration Hyper-Kamiokande<ref>{{lien web| url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/hk/news/detail/449| date= February 5, 2015| titre=Hyper-Kamiokande website: The Inaugural Symposium of the Hyper-K Proto-Collaboration| lieu = Kashiwa, Japan}}</ref>{{,}}<ref>{{article| périodique= CERN Courier | date= 9 April 2015 | titre= Proto-collaboration formed to promote Hyper-Kamiokande| url= https://cerncourier.com/a/proto-collaboration-formed-to-promote-hyper-kamiokande/}}</ref>.
* Mai 2018 : Rapport de conception d'Hyper-Kamiokande<ref name="1805.04163"/>.
* Septembre 2018 : Allocation du financement initial par le [[Ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie|MEXT]] en 2019<ref>{{article| périodique= CERN Courier | date= 28 September 2018  | titre= Hyper-Kamiokande construction to start in 2020| url= https://cerncourier.com/a/hyper-kamiokande-construction-to-start-in-2020/}}</ref>.
* Février 2020 : Approbation officielle du projet par la [[Diète du Japon]]<ref name="hkapproved"/>.
* Juin 2020 : Formation de la collaboration Hyper-Kamiokande.
* Mai 2021 : Début du creusement du tunnel d'accès au détecteur HK<ref>{{article| périodique= The University of Tokyo | date= 28 May 2021  | titre= Groundbreaking ceremony for Hyper-Kamiokande held in Hida, Japan | url= https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/articles/z0208_00113.html}}</ref>.
* 2021 : Début de la production en série des tubes photomultiplicateurs<ref>{{ouvrage|nom1=Itow, on behalf of the Hyper-Kamiokande Collaboration |prénom1=Y. |titre=Proceedings of 37th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2021) |chapter=Construction status and prospects of the Hyper-Kamiokande project |année=2021 |page=1192 |éditeur=Proceedings of Science|doi=10.22323/1.395.1192 |s2cid=199687331 |accès doi=libre }}</ref>.
* Février 2022 : Achèvement de la construction du tunnel d'accès<ref>{{lien web|titre=Hyper-Kamiokande experiment; Excavation of the gigantic underground cavern has finally begun |url=https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/detail/684}}</ref>.
* Octobre 2023 : Achèvement de la coupole de la caverne principale du détecteur HK<ref>{{lien web| url = https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/detail/738| date= 11 October 2023| titre=Kamioka Observatory website: Completion of the main cavern dome section of the Hyper-Kamiokande experiment}}</ref>.
* 2027 : Début prévu de la prise de données<ref name="hkapproved"/>.

== Notes ==
{{Références|groupe=note}}

== Voir aussi ==

* [[Super-Kamiokande]]
* [[T2K]]
*{{Lien
|langue=en
|trad=Deep Underground Neutrino Experiment
|fr=DUNE
|texte=Deep Underground Neutrino Experiment
}}

== Bibliographie ==

{{légende plume}}
* {{Ouvrage|langue=en|titre=The Hyper-Kamiokande Experiment|prénom=Francesca|nom=Di Lodovico|collection=NEUTRINO 2016|format=pdf|éditeur=Royal Geographical Society|mois=7|jour=6|année=2016}}
* {{Article|langue=en|nom=Normile |prénom=Dennis |jour=6|mois=2|année=2015 |url=http://www.sciencemag.org/content/347/6222/598.summary |titre=Japanese neutrino physicists think really big |périodique=Science|lien périodique=Science (revue)|éditeur=American Association for the Advancement of Science |volume=347 |numéro=6222 |page=598 |doi=10.1126/science.347.6222.598 |pmid=25657225 |consulté le=2017-03-14}} {{plume}}

== Références ==
{{références|taille=36}}

=== Liens externes ===
* {{site officiel|langue=jp+en|url=www.hyperk.org/}}

{{Palette|Observatoires de neutrinos}}
{{Portail|physique|astronomie}}

[[Catégorie:Observatoire de neutrinos]]
[[Catégorie:Observatoire astronomique au Japon]]