Observatorio de Kamioka

El primero de los experimentos de Kamioka se denominó KamiokaNDE, por Experimento de Desintegración de Nucleones de Kamioka . Era un gran detector Cherenkov de agua diseñado para buscar la desintegración de protones . Para observar la desintegración de una partícula con una vida útil tan larga como la de un protón, un experimento debe durar mucho tiempo y observar una enorme cantidad de protones. Esto se puede hacer de la manera más rentable si el objetivo (la fuente de los protones) y el detector están hechos del mismo material. El agua es un candidato ideal porque es económica, fácil de purificar, estable y puede detectar partículas cargadas relativistas mediante la producción de radiación Cherenkov . Un detector de desintegración de protones debe estar enterrado a gran profundidad o en una montaña , ya que el ruido de fondo de los muones de rayos cósmicos en un detector tan grande ubicado en la superficie de la Tierra sería demasiado grande. La tasa de muones en el experimento KamiokaNDE fue de aproximadamente 0,4 eventos por segundo, aproximadamente cinco órdenes de magnitud menor que la que habría sido si el detector hubiera estado ubicado en la superficie. ^{[ 4 ]}

El patrón distintivo producido por la radiación Cherenkov permite la identificación de partículas , una herramienta importante tanto para comprender la señal potencial de desintegración de protones como para descartar ruido de fondo. La identificación es posible porque la nitidez del borde del anillo depende de la partícula que produce la radiación; los electrones (y, por lo tanto, también los rayos gamma ) producen anillos difusos debido a la dispersión múltiple de los electrones de baja masa. En cambio, los muones de mínima ionización producen anillos muy nítidos, ya que su mayor masa les permite propagarse directamente.

La construcción del Observatorio Subterráneo de Kamioka (predecesor del actual Observatorio de Kamioka, Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos, Universidad de Tokio ) comenzó en 1982 y finalizó en abril de 1983. El detector era un tanque cilíndrico que contenía 3000 toneladas de agua pura y tenía aproximadamente 1000 tubos fotomultiplicadores  (PMT) de 50 cm de diámetro adheridos a su superficie interior. El detector exterior medía 16,0 m de altura y 15,6 m de diámetro. El detector no logró observar la desintegración del protón, pero estableció el que entonces era el mejor límite mundial para la vida media del protón. ^{[ 5 ]}

KamiokaNDE-I operó entre 1983 y 1985.

El experimento KamiokaNDE-II representó un importante avance con respecto a KamiokaNDE y realizó un número significativo de observaciones importantes. Durante esta fase, la parte NDE del nombre pasó a denominarse "Experimento de Detección de Neutrinos". ^{[ 6 ]} KamiokaNDE-II operó entre 1985 y 1990.

La última actualización del detector, KamiokaNDE-III, estuvo en funcionamiento entre 1990 y 1995.

Por su trabajo dirigiendo los experimentos de Kamioka, y en particular por la primera detección de neutrinos astrofísicos, Masatoshi Koshiba fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2002. [ ^{6 ] Raymond} Davis Jr. y Riccardo Giacconi fueron co-ganadores del premio.

El experimento KEK To Kamioka ^{[ 8 ]} utilizó neutrinos de acelerador para verificar las oscilaciones observadas en la señal de neutrinos atmosféricos con un haz bien controlado y comprendido. Se dirigió un haz de neutrinos desde el acelerador KEK hacia Super KamiokaNDE. El experimento halló parámetros de oscilación consistentes con los medidos por Super-K.

En la década de 1990, los físicos de partículas comenzaron a sospechar que el problema de los neutrinos solares y el déficit de neutrinos atmosféricos tenían algo que ver con la oscilación de neutrinos . El detector Super-Kamiokande fue diseñado para probar la hipótesis de oscilación tanto para los neutrinos solares como para los atmosféricos. El detector Super-Kamiokande es enorme, incluso para los estándares de la física de partículas. Consta de 50 000 toneladas de agua pura rodeadas por unos 11 200 tubos fotomultiplicadores. El detector fue diseñado nuevamente como una estructura cilíndrica, esta vez de 41,4 m (136 pies) de altura y 39,3 m (129 pies) de diámetro. El detector estaba rodeado por un detector externo considerablemente más sofisticado que no solo podía actuar como un veto para los muones cósmicos, sino que también podía ayudar en su reconstrucción.    

El telescopio Super-Kamiokande comenzó a recopilar datos en 1996 y ha realizado varias mediciones importantes. Entre ellas se incluyen la medición precisa del flujo de neutrinos solares mediante la interacción de dispersión elástica, la primera evidencia contundente de oscilación de neutrinos atmosféricos y un límite considerablemente más estricto para la desintegración de protones.

El experimento de línea de base larga "Tokai To Kamioka" comenzó en 2009. Está realizando una medición de precisión de los parámetros de oscilación de neutrinos atmosféricos y está ayudando a determinar el valor de θ _13. Utiliza un haz de neutrinos dirigido al detector Super Kamiokande del sincrotrón de protones de 50 GeV (actualmente 30 GeV) de la Instalación Japonesa de Hadrones en Tōkai, de manera que los neutrinos viajan una distancia total de 295 km (183 mi) .  

En 2013, T2K observó por primera vez las oscilaciones de neutrinos en el canal de aparición: transformación de neutrinos muónicos en neutrinos electrónicos. ^{[ 9 ]} En 2014, la colaboración proporcionó las primeras restricciones sobre el valor de la fase de violación de CP, junto con la medición más precisa del ángulo de mezcla θ ₂₃ . ^{[ 10 ]}

El experimento KamLAND es un detector de centelleo líquido diseñado para detectar antineutrinos de reactor . KamLAND complementa al Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO), ya que, si bien el experimento SNO tiene buena sensibilidad al ángulo de mezcla solar pero poca sensibilidad a la diferencia de masa al cuadrado, KamLAND tiene muy buena sensibilidad a la diferencia de masa al cuadrado y poca sensibilidad al ángulo de mezcla. Los datos de ambos experimentos pueden combinarse siempre que CPT sea una simetría válida de nuestro universo . El experimento KamLAND se encuentra en la cavidad original de KamiokaNDE.

CLIO es un pequeño detector de ondas gravitatorias con brazos de 100 m (330 pies) , que no es lo suficientemente grande como para detectar ondas gravitatorias astronómicas, pero que sirve como prototipo de tecnologías de espejos criogénicos para el detector KAGRA, de mayor tamaño.  

El detector de ondas gravitacionales KAmioka (anteriormente LCGT, Telescopio Criogénico de Ondas Gravitacionales a Gran Escala) es un detector interferométrico de ondas gravitacionales construido dentro de la mina Kamioka. KAGRA fue aprobado inicialmente en 2010; su construcción se completó en 2019 y el detector comenzó a observar en 2020. ^{[ 11 ]}

KAGRA es un interferómetro de Michelson con un brazo de 3  km de longitud. A diferencia de otros detectores de ondas gravitacionales actuales, utiliza espejos enfriados criogénicamente para reducir el ruido térmico; además, es el primer y único detector de ondas gravitacionales subterráneo. KAGRA está diseñado para poder observar ondas gravitacionales provenientes de sistemas binarios de estrellas de neutrones a una distancia de hasta ∼150 Mpc . ^{[ 11 ]} En 2026, alcanzó una sensibilidad máxima de ~7 Mpc y, con las mejoras continuas, se espera que alcance una sensibilidad de 50-90 Mpc a principios de la década de 2030. ^{[ 12 ]}

XMASS es un experimento subterráneo de centelleo líquido en Kamioka. Ha estado buscando materia oscura .

NEWAGE es un experimento de búsqueda de materia oscura sensible a la dirección realizado utilizando una cámara de microproyección temporal gaseosa. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Hay un programa ^{[ 3 ]} para construir un detector diez veces más grande que Super Kamiokande, y este proyecto se conoce con el nombre de Hyper-Kamiokande . El primer tanque estará operativo a mediados de la década de 2020. ^{[ 15 ]} En el momento de la 'inauguración' en 2017, se anunció que el/los tanque(s) sería(n) 20 veces más grande(s) que el anterior (1000 millones de litros en Hyper-Kamiokande frente a 50 millones en Super-Kamiokande ).