L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense cylindre de 40m de haut et 40m de diamètre rempli de plus de 50 000 tonnes d'eau ! Son emplacement dans une mine, en-dessous d'une montagne, lui fournit une bonne protection au bruit de fond que constitue les rayons cosmiques (en majorité des muons au niveau du sol) qui sont arrêtés par cette grande quantité de matière. Le but de cette expérience est d'étudier des particules élémentaires appelés neutrinos et les oscillations qui les gouvernent. En 1987, l'expérience précurseuse Kamiokande s'était mise en évidence par la détection de neutrinos provenant de l'explosion d'une étoile (la supernova 1987A, SN1987A), confirmant de façon magistrale la théorie gouvernant les explosions de supernovae. Son nom provient de Kamioka, le village montagnard où se situe l'expérience, et de NDE, signifiant tour à tour Nucleon Decay Experiment (expérience de désintégration du nucléon) puis Neutrino Detection Experiment (expérience de détection du neutrino). Pour l'anecdote, ce changement de nom intervint seulement quelques mois avant cette explosion, tel un clin d'oeil du destin.
Ces particules ont la particularité de très peu interagir avec la matière. C'est pourquoi une grande quantité de matière est nécessaire pour permettre de les détecter efficacement. Ainsi, 50 000 tonnes d'eau purifiée constituent la cible de ce détecteur. Le neutrino va interagir avec un nucléon du noyau d'oxygène. Un nucléon et un lepton seront produits selon une désintégration β. Ce dernier correspondra au type de neutrino incident. S'agissant d'une particule chargée allant plus vite que la lumière dans l'eau, il produira un cône de lumière Çérenkov qui donnera des informations sur l'énergie, le type et la direction du neutrino incident. Cette lumière sera recueillie par des Tubes Photo-Multiplicateurs (PMT) qui amplifieront ce signal et le transformeront en signal électrique.
C'est en 1998 que Super-Kamiokande acquit sa renommée internationale en prouvant le phénomène d'oscillation du neutrino, et donc que ces particules possèdent une masse non nulle. Les neutrinos créés dans le soleil changent de nature en se propageant jusqu'à la Terre. C'est d'ailleurs pour cette découverte que Masatoshi Koshiba reçut le prix Nobel de physique 2002. Jusqu'en 2005, ce détecteur constituait un élément de l'expérience K2K qui mesura plus précisément les paramètres d'oscillation de ces particules fantômes. Mais ce sont cette fois des neutrinos créés et donc contrôlés par l'homme grâce à un accélérateur de particules qui furent étudiés.
A noter qu'en 2001, un incident provoqua l'explosion de la moitié des PMTs de l'expérience (soit plus de 5000). Des échaffaudages placés dans le détecteur vidé pour nettoyer les parois avaient provoqué une fragilisation du verre d'un PMT. Lorsque l'on remplit de nouveau le détecteur, à 20m de pression d'eau au-dessus de lui, ce dernier implosa. L'onde de choc provoqua la casse de tous les PMTs qui étaient sous le niveau de l'eau, une vraie catastrophe pour l'expérience. Par la suite, on redisposa les PMTs survivants dans le cylindre mais en se contentant d'une surface de détection deux fois plus faible (20% de la surface totale au lieu de 40%). Aujourd'hui, en juin 2006, la couverture initiale du détecteur en PMTs a été rétablie, ouvrant ainsi la troisième période d'acquisition de l'expérience. Elle servira également de détecteur lointain à l'expérience à faisceau de neutrinos T2K, qui débutera en 2009.