Z końcem lipca ogłoszono ukończenie prac wykopaliskowych nad ogromną podziemną komorą, w której zostanie następnie umieszczony zbiornik wodny detektora Hyper-Kamiokande – obserwatorium Czerenkowa nowej generacji powstającego obecnie w mieście Hida w Japonii. Czy to oznacza, że obserwatorium niebawem zacznie pracować?
Hyper-Kamiokande to międzynarodowy projekt badawczy realizowany pod przewodnictwem Uniwersytetu Tokijskiego i Organizacji Badań Akceleratorów Wysokich Energii (KEK). W lipcu 2025 roku uczestniczyło w nim blisko 630 naukowców z 22 krajów, w tym liczne zespoły z polskich uczelni. Hyper-Kamiokande będzie podziemnym detektorem promieniowania wykorzystującym zjawisko Czerenkowa do rejestracji wytworzonych przez wysokoenergetyczne neutrina cząstek naładowanych i pomiaru ich energii. Detektor ten będzie docelowo pięciokrotnie większy niż obecnie działający już w Japonii detektor Super-Kamiokande. Zaletą tego typu detektorów jest prosta zasada działania: bardzo duża objętość instrumentu badawczego wypełniona jest ekstremalnie czystą wodą i otoczona detektorami światła (fotopowielaczami). Od początku oczywiste było jednak, że zasadniczą trudnością przy budowie Hyper-Kamiokande będą właśnie ogromne rozmiary zbiornika wodnego o kształcie walca o łącznej wysokości ponad 70 metrów i średnicy 68 metrów, co wymaga wydrążenia w skale odpowiednio dużej, sztucznej groty. W dodatku musiała ona zostać wykopana głęboko pod powierzchnią ziemi – około 600 metrów – a wszystko to dla osłony detektora przed niechcianym w tym przypadku promieniowaniem kosmicznym. Taki rozmiar i lokalizacja były jednak dla inżynierów dużym wyzwaniem.
Hyper-Kamiokande docelowo będzie składał się z olbrzymiego zbiornika wodnego o objętości referencyjnej 8,4 razy większej niż w przypadku jego poprzednika, Super-Kamiokande, i zostanie wyposażony w ponad 20 000 nowoczesnych fotodetektorów. Obecnie trwa jego budowa pod górą Nijuugo w mieście Hida w prefekturze Gifu w Japonii. Jednocześnie KEK prowadzi prace nad modernizacją japońskiego ośrodka akceleratorowego J PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) w celu zwiększenia jego mocy oraz budową nowego detektora pośredniego w miejscowości Tokai w prefekturze Ibaraki. Wszystkie te instrumenty będą pracować wspólnie w ramach Hyper-Kamioande – projektu, do którego najważniejszych celów naukowych zaliczyć można precyzyjne pomiary właściwości neutrin i badania nad rozpadami protonów, co ostatecznie ma przyczynić się do wyjaśnienia fundamentalnych zagadek Wszechświata i przetestowania założeń wielkich teorii unifikacyjnych.
Główna komora skalna Hyper-Kamiokande składa się z segmentu stropowego w kształcie kopuły o średnicy blisko 69 metrów i wysokości 21 metrów, poniżej którego znajduje się sekcja cylindryczna o wysokości 73 metrów. Komora ta jest jedną z największych kawern wydrążonych przez człowieka w skale macierzystej. Teren budowy detektora charakteryzuje się występowaniem gnejsu Hida, jednej z najtrwalszych skał spotykanych w Japonii. Warto zaznaczyć, że właściwości tej formacji skalnej i występujące w niej naprężenia mają znaczący wpływ na stabilność kawerny podczas procesu jej drążenia, a także już po zakończeniu prac. Przed rozpoczęciem wykopów w 2020 roku zrealizowano na tym terenie wielkoskalowe badania geologiczne, w wyniku których wykonano łącznie 730 metrów odwiertów i wykopano nowe tunele. Tego rodzaju badania były prowadzone od najwcześniejszych etapów projektu, i właśnie na bazie ich wyników podejmowano później decyzje co do kształtu i metod wzmocnienia ścian kopanej kawerny.
Kopuła głównej kawerny ma kluczowe znaczenie dla stabilności konstrukcji, ponieważ dzięki trójwymiarowemu efektowi łuku wytrzymuje duże naprężenia pionowe występujące w miejscu budowy. Po uzyskaniu dostępu do najwyższego punktu sekcji kopuły za pomocą tymczasowego tunelu spiralnego w listopadzie 2022 roku przestrzeń kawerny była stopniowo rozszerzana na zewnątrz, podczas gdy łukowaty strop stabilizowano przy pomocy betonu natryskowego i specjalnych śrub napinających. Aby można było prowadzić te trudne prace, wiążące się z ryzykiem zawalenia się stropu, bezpiecznie i efektywnie, projekt kawerny i jej detale konstrukcyjne były na bieżąco aktualizowane w oparciu o dane geologiczne i pomiary ruchu mas skalnych rejestrowane w czasie rzeczywistym podczas drążenia.
Podczas prac wykopaliskowych w sekcji cylindrycznej, które rozpoczęły się w październiku 2023 roku, kluczowym czynnikiem wpływającym na tempo budowy komory była wydajność usuwania wydobywanego materiału skalnego. W tym celu w centrum części cylindrycznej wykopano wcześniej pionowy szyb o średnicy 3,4 metra, sięgający do tunelu dostępowego na jego dnie. W procesie drążenia niepotrzebne odłamki skalne były skutecznie usuwane przez ten szyb i transportowane ciężarówkami z najniższego poziomu na powierzchnię ziemi. Wykopy, prowadzone etapami, przebiegały sprawnie, a bezpieczeństwo podczas prac było traktowane priorytetowo. Choć konieczne było dodatkowe wzmocnienie ścian kawerny, co wymagało wykorzystania ogromnych rusztowań, drążenie głównej kawerny, obejmujące łącznie blisko 330 000 metrów sześciennych materiału skalnego, zakończono 31 lipca 2025 roku, czyli około sześć miesięcy po pierwotnie zakładanym terminie. Oznacza to, że ukończono wszystkie prace wykopaliskowe związane z budową kawerny, która była jednym z najważniejszych etapów całego projektu.
Choć można świętować sukces, do rozpoczęcia prac badawczych przy użyciu nowego instrumentu jeszcze daleko. Teraz, w sierpniu, rozpocznie się przekształcanie głównej kawerny w gigantyczny zbiornik na 260 000 metrów sześciennych wody. Jednak budowa konstrukcji właściwego detektora mającego znaleźć się wewnątrz tego zbiornika zacznie się dopiero w 2026 roku, po czym planowana jest instalacja fotodetektorów i reszty komponentów badawczych. Ocenia się obecnie, że wszystkie komponenty detektora działające wewnątrz zbiornika mają zostać zainstalowane do 2027 roku, po czym zbiornik zostanie napełniony bardzo czystą wodą. Sam detektor ma rozpocząć pracę w 2028 roku.
Porównanie przekrojów największych podziemnych badawczych kawern w Japonii i za granicą. Źródło: Uniwersytet Tokijski
W eksperymencie Hyper-Kamiokande uczestniczy obecnie ponad 600 osób z 22 krajów. W skład polskiego konsorcjum wchodzą: Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytet Warszawski, Politechnika Warszawska, Uniwersytet Śląski w Katowicach, Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, Uniwersytet Wrocławski, Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie i Centrum Astronomiczne im. M. Kopernika PAN.
Czytaj więcej:
- Oryginalny komunikat prasowy
Super Kamiokande Neutrino Detector by the Neutrino Experimental Cohort (YT)
Źródło: Uniwersytet Tokijski, Uniwersytet Jagielloński
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu:
Nowo oddana kawerna główna Hyper-Kamiokande po zakończeniu prac. Źródło: Uniwersytet Tokijski.
