40 lat prób i 59 dni sukcesu. Chiński detektor rozwikłuje tajemnicę neutrin

Neutrina są najliczniejszymi cząstkami materii we Wszechświecie – i zarazem najbardziej tajemniczymi. Choć powstały w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, wciąż nie wiemy, skąd bierze się ich masa. Teraz chiński eksperyment JUNO, w zaledwie 59 dni zbierania danych, osiągnął precyzję pomiaru kluczowych parametrów tych cząstek niemal dwukrotnie lepszą niż poprzednie eksperymenty działające przez dekady.

Neutrina – duchy, które zmieniają tożsamość

→ Czytaj też: Sonda Juno zmierzyła podpowierzchniową temperaturę Io. Dlaczego to zaskakuje naukowców?

Neutrina występują w trzech „smakach”: elektronowe, mionowe i taonowe. Najdziwniejszą cechą tych cząstek jest zdolność do zmiany smaku w locie – zjawisko zwane oscylacją. To tak, jakby piłka tenisowa, którą rzucamy, co chwilę zamieniała się w piłkę nożną, a potem do koszykówki. Kluczem do zrozumienia oscylacji są dwa parametry: kąt mieszania i różnica kwadratów mas. Dotychczas pomiary tych wartości obarczone były sporym błędem. Jak pisze Nature News & Views, JUNO wykonał pomiary zgodne z wcześniejszymi wynikami, ale z dużo wyższą precyzją.

Pod ziemią z 20 tysiącami ton płynu

→ Czytaj też: Skąd się biorą neutrina wysokich energii? Zagadka, która wciąż czeka na rozwiązanie

Detektor JUNO znajduje się 700 metrów pod ziemią w prowincji Guangdong w Chinach. Sercem urządzenia jest ogromna, 35-metrowa akrylowa kula wypełniona 20 tysiącami ton organicznego roztworu. Kiedy neutrino zderzy się z protonem w atomie, pojawiają się dwa słabe błyski światła. Rejestruje je aż 43 tysiące fotopowielaczy, które wyścielają wnętrze kuli. Źródłem neutrin dla tego eksperymentu jest reaktor jądrowy oddalony o ponad 53 kilometry. Jak podaje Nature, w ciągu niespełna 59 dni pod koniec 2025 roku JUNO zebrał wystarczająco dużo danych, by zmierzyć dwa kluczowe parametry oscylacji z precyzją 1,6 razy lepszą niż poprzednie eksperymenty, które działały przez dziesięciolecia.

„Imponujące” – mówi fizyczka z Japonii

Wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Nature. Atsuko Ichikawa, fizyczka z Uniwersytetu Tohoku w Japonii, powiedziała: „To imponujące, jak precyzja poprawiła się od razu”. Wang Yifang, inicjator projektu i jego rzecznik od 2013 roku, przyznaje, że wielu naukowców wątpiło, czy detektor osiągnie planowaną czułość. „Było mnóstwo trudności, krytycznych i bolesnych momentów, ale ostatecznie czujemy się bardzo dobrze” – mówi Wang z Instytutu Fizyki Wysokich Energii w Pekinie. Te pomiary stanowią krok w stronę rozwiązania jednej z największych zagadek fizyki: skąd neutrina biorą swoją masę? W standardowym modelu cząstek elementarnych neutrina są bezmasowe, a eksperymenty takie jak JUNO badają oscylacje, by ustalić hierarchię mas – czy istnieją dwie bardzo lekkie i jedna cięższa, czy odwrotnie.

Co dalej?

JUNO jest dopiero pierwszym z nowej generacji eksperymentów neutrinowych. W przyszłości będzie badał neutrina z wnętrza Słońca, Ziemi, a nawet z wybuchów supernowych. Właśnie one mogą dać nam odpowiedź na pytanie o hierarchię mas – porządek, w jakim ułożone są poszczególne wartości mas neutrin. Odpowiedź ta jest kluczowa nie tylko dla fizyki cząstek, ale i dla kosmologii, bo neutrina odgrywają ważną rolę w ewolucji Wszechświata. Jeśli JUNO utrzyma tempo, za kilka lat może dostarczyć danych, które ostatecznie rozwikłają tę zagadkę.