20.03.2026
Hyper-Kamiokande, il grande serbatoio d’acqua sotterraneo per studiare i neutrini

All’interno delle montagne giapponesi, a circa 600 metri sotto terra, sta prendendo forma una delle infrastrutture scientifiche più ambiziose dedicate allo studio della fisica fondamentale: si tratta di Hyper-Kamiokande, un gigantesco rivelatore sotterraneo costruito nella miniera di Kamioka, nella città di Hida, nella prefettura di Gifu, progettato per osservare neutrini, cercare eventuali segnali di decadimento del protone e approfondire alcune delle questioni più importanti sulla struttura della materia e sull’evoluzione dell’universo. Secondo il sito ufficiale del progetto, il rivelatore viene costruito a 600 metri di profondità proprio per svolgere misure di altissima sensibilità in un ambiente schermato dal rumore di fondo prodotto dai raggi cosmici.

Hyper-Kamiokande è un enorme serbatoio cilindrico riempito con acqua ultrapura, con un diametro di circa 68 metri e una profondità di 71 metri: la massa totale dell’acqua contenuta raggiunge circa 260.000 tonnellate metriche, una scala che lo rende il più grande serbatoio d’acqua sotterraneo al mondo destinato a questo tipo di ricerca. Quando particelle generate da interazioni rare attraversano il detector, possono produrre un debole lampo di radiazione Cherenkov, cioè una particolare emissione luminosa che si origina quando una particella carica si muove in un mezzo a velocità superiore a quella della luce in quel mezzo: è proprio questa luce estremamente debole a costituire il segnale che i ricercatori cercano di intercettare e analizzare.

L’interesse scientifico per i neutrini è enorme perché si tratta di particelle estremamente abbondanti nell’universo ma straordinariamente difficili da osservare, tanto da essere spesso chiamati ghost particles, particelle fantasma, perché attraversano la materia quasi senza interagire. Ogni secondo un numero immenso di neutrini attraversa il corpo umano, la Terra e qualsiasi struttura materiale senza lasciare effetti apprezzabili: è una caratteristica li rende preziosi dal punto di vista teorico, perché conservano informazioni su fenomeni cosmici e processi fondamentali, ma al tempo stesso complica enormemente la loro rivelazione sperimentale. Il principio alla base di Hyper-Kamiokande è quindi quello di aumentare al massimo sia la massa del rivelatore sia la sensibilità del sistema ottico, in modo da rendere osservabili interazioni che per loro natura sono rarissime.

Dal punto di vista tecnologico, Hyper-Kamiokande appartiene alla famiglia dei water Cherenkov detector, cioè rivelatori ad acqua Cherenkov: è una famiglia di strumenti che ha già avuto un ruolo decisivo nella fisica contemporanea grazie ai precedenti esperimenti Kamiokande e Super-Kamiokande. Il primo, operativo tra il 1983 e il 1996, contribuì in modo decisivo alla nascita dell’astronomia dei neutrini e alla rivelazione dei neutrini provenienti da una supernova lontana, oltre che allo studio dei neutrini solari. Il secondo, Super-Kamiokande, entrato in funzione nel 1996, ha consentito un enorme passo avanti nella comprensione delle oscillazioni dei neutrini, cioè del fenomeno per cui i neutrini cambiano identità durante la propagazione. Il risultato è stato fondamentale perché ha dimostrato che i neutrini possiedono massa, una scoperta che ha avuto un impatto enorme sulla fisica delle particelle e che ha contribuito al Nobel per la Fisica assegnato nel 2015 a Takaaki Kajita. Hyper-Kamiokande, quindi, rappresenta la nuova generazione di questa linea sperimentale e punta a superarne in modo netto le capacità osservative.

La struttura del rivelatore è organizzata in due sezioni principali, denominate Inner Detector e Outer Detector: il rivelatore interno costituisce la parte sensibile principale ed è rivestito da un numero impressionante di fotosensori ad altissima sensibilità; il sito ufficiale indica fino a 40.000 fotosensori del diametro di 50 centimetri installati sulle pareti interne, capaci di misurare con grande precisione la debolissima luce Cherenkov prodotta da interazioni di neutrini o da eventuali decadimenti nucleonici. Attorno a questo volume principale si trova il rivelatore esterno, dotato a sua volta di fino a 10.000 fotosensori più piccoli, con il compito di identificare e respingere segnali di fondo, in particolare quelli associati ai muoni dei raggi cosmici che potrebbero imitare o contaminare gli eventi di interesse. La combinazione di queste due regioni otticamente separate consente di costruire uno strumento molto più selettivo e preciso rispetto alle generazioni precedenti.

Hyper-Kamiokande utilizza una nuova generazione di tubi fotomoltiplicatori ad alta sensibilità, progettati per ottenere un’efficienza di rivelazione circa doppia rispetto a quelli impiegati in Super-Kamiokande, insieme a migliori prestazioni nella misura del tempo di arrivo della luce e della sua intensità; Hyper-Kamiokande può distinguere muoni ed elettroni con accuratezza superiore al 99%, una capacità di identificazione che è cruciale nello studio delle oscillazioni dei neutrini e nella separazione dei segnali reali dai fondi sperimentali.

La scelta di costruire il detector a grande profondità risponde a precise necessità fisiche: sulla superficie terrestre, e anche a piccole profondità, i rivelatori sono costantemente investiti da particelle prodotte dai raggi cosmici, che possono generare segnali spurii e ridurre sensibilmente la possibilità di osservare eventi rari. Collocare Hyper-Kamiokande circa 600 metri sotto la montagna consente di usare la roccia sovrastante come schermo naturale contro gran parte di questo rumore di fondo. In altre parole, il sottosuolo diventa una componente funzionale del rivelatore stesso: non misura direttamente le particelle, ma crea le condizioni ambientali necessarie per poter distinguere un segnale autentico dal rumore. È questa una delle ragioni per cui i grandi esperimenti di neutrino fisica vengono spesso costruiti in miniere, tunnel o cavità sotterranee appositamente scavate.

Il programma scientifico di Hyper-Kamiokande è estremamente ampio e tocca alcune delle domande più profonde della fisica moderna. Una delle priorità è lo studio della violazione di CP nei neutrini, cioè la possibile differenza di comportamento tra neutrini e antineutrini: è un tema è cruciale perché potrebbe contribuire a spiegare perché l’universo osservabile è dominato dalla materia mentre l’antimateria appare oggi estremamente rara. Hyper-Kamiokande è stato progettato per investigare proprio la differenza tra le probabilità di oscillazione dei neutrini e quelle degli antineutrini, utilizzando anche un intenso fascio di neutrini prodotto dall’acceleratore J-PARC.

Oltre a questo, Hyper-Kamiokande studierà la gerarchia di massa dei neutrini, cioè l’ordine relativo delle masse dei tre stati noti. Anche se oggi sappiamo che i neutrini hanno massa, non conosciamo ancora in modo completo la loro struttura gerarchica, punto importante non solo per completare il quadro del Modello Standard esteso, ma anche per le implicazioni cosmologiche e astrofisiche che ne derivano: la combinazione tra osservazioni di neutrini atmosferici, neutrini solari e neutrini provenienti da fasci artificiali permetterà di affinare notevolmente questi parametri e di ridurre le incertezze che ancora limitano alcune interpretazioni teoriche.

Un altro fronte centrale è la ricerca del decadimento del protone: nella fisica nota, il protone è considerato stabile su tempi immensamente lunghi, ma molte teorie di grande unificazione prevedono che, su scale temporali enormi, possa decadere in particelle più leggere. Osservare un evento di questo tipo significherebbe ottenere una prova sperimentale diretta a favore delle teorie che cercano di unificare le interazioni fondamentali, andando oltre il quadro oggi verificato.

L’esperimento avrà anche una forte dimensione astrofisica: i grandi detector ad acqua Cherenkov sono osservatori naturali di neutrini provenienti dal Sole, dall’atmosfera terrestre e da eventi cosmici catastrofici come le supernovae. Storicamente, proprio i precedenti rivelatori della famiglia Kamiokande hanno dimostrato il valore di questo approccio, rendendo possibile la rivelazione di neutrini provenienti da fenomeni stellari lontani. Hyper-Kamiokande, con un volume attivo molto superiore e con sensori più sensibili, dovrebbe aumentare in modo marcato la quantità e la qualità dei dati raccolti, offrendo una finestra ancora più ampia sui processi energetici estremi dell’universo.

Dal punto di vista quantitativo, uno degli aspetti più significativi è il salto di scala rispetto a Super-Kamiokande: si parla di un detector fiducial volume enormemente superiore, mentre altre fonti di progetto e aggiornamenti ufficiali lo descrivono come circa otto volte più grande rispetto al predecessore per la parte utile alle misure di fisica. L’incremento di massa efficace è essenziale perché consente di raccogliere un numero molto più elevato di eventi rari e, quindi, di comprimere tempi sperimentali che altrimenti richiederebbero decenni. La sezione fisica del progetto afferma che dati per i quali con Super-Kamiokande servirebbero cento anni potrebbero essere ottenuti in circa dieci anni con Hyper-Kamiokande.

Lo stato di avanzamento del progetto indica che l’escavazione della grande cavità sotterranea è stata completata e che il progetto ha già diffuso un tour virtuale 3D delle strutture in costruzione: le comunicazioni più recenti portano l’avvio operativo scientifico atteso intorno al 2028.