Chiński detektor JUNO właśnie pobił rekord precyzji. Neutrina nie mają przed nim tajemnic

Neutrina są wszędzie – co sekundę przez twoje ciało przelatują ich miliardy. A jednak wciąż nie wiemy, dlaczego w ogóle mają masę. Standardowy model fizyki cząstek nie daje odpowiedzi. Teraz, po niespełna dwóch miesiącach zbierania danych, chińskie obserwatorium JUNO dostarczyło pomiarów, które przewyższają precyzją wszystko, co udało się osiągnąć wcześniej. Czy to początek końca jednej z największych zagadek współczesnej nauki?

Neutrina zmieniają tożsamość – to klucz do ich masy

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

Neutrina występują w trzech „smakach”: elektronowym, mionowym i taonowym. Gdy podróżują, potrafią zmieniać swoją tożsamość – zjawisko to nazywamy oscylacjami. To właśnie ono dowodzi, że neutrina mają masę, choć przez długi czas sądzono, że są całkowicie pozbawione ciężaru. Oscylacje opisują parametry, które fizycy próbują zmierzyć z jak największą dokładnością. Im precyzyjniejsze pomiary, tym bliżej jesteśmy zrozumienia, jak te cząstki zyskują masę.

Jak tłumaczy Wang Yifang, inicjator i rzecznik JUNO z Instytutu Fizyki Wysokich Energii w Pekinie, wielu badaczy wątpiło, czy detektor osiągnie planowaną czułość. „Było wiele bólów, komplikacji, trudności, krytycznych i bolesnych momentów, ale myślę, że ostatecznie czujemy się z tym bardzo dobrze” – mówi Wang. I dodaje: „Szczerze mówiąc, nigdy nie wątpiłem, że to się uda”.

Jak działa największe na świecie akrylowe akwarium dla neutrin

→ Czytaj też: Zaskakujące odkrycie w kamieniu z Iranu. Natura zrobiła to, czego fizycy nie potrafią

Sercem JUNO jest ogromna akrylowa kula o średnicy 35 metrów, wypełniona 20 000 ton organicznego roztworu. Gdy neutrino zderza się z protonem w jądrze atomowym, powstają dwa kolejne błyski światła. Rejestruje je 43 000 fotopowielaczy – niezwykle czułych detektorów światła – wyściełających wnętrze sfery.

Detektor znajduje się 52,5 km od elektrowni jądrowej w Guangdong w Chinach. Reaktory produkują ogromne ilości neutrin elektronowych. Część z nich, zanim dotrze do JUNO, zmienia smak. Licząc, ile neutrin dociera bez zmiany i jak ta liczba zależy od ich energii, naukowcy mogą wyznaczyć parametry oscylacji.

Wyniki opublikowane w Nature są imponujące. Po zaledwie 59 dniach zbierania danych JUNO zmierzyło dwa kluczowe parametry: sin²θ₁₂ = 0,3092 ± 0,0087 oraz Δm²₂₁ = (7,50 ± 0,12) × 10⁻⁵ eV². Precyzja tych pomiarów jest 1,6 razy większa niż w przypadku wszystkich poprzednich eksperymentów razem wziętych – a te działały przez dekady.

Wyścig o masę neutrin

Neutrina mogą mieć jedną z trzech możliwych wartości masy. Co ciekawe, każdy smak neutrina może mieć dowolną z nich. Dotychczasowe eksperymenty wykazały, że dwie z tych wartości są do siebie bardzo zbliżone, a trzecia jest od nich znacznie oddalona. Nie wiadomo jednak, czy mamy do czynienia z dwiema bardzo małymi masami i jedną większą, czy odwrotnie. To właśnie nazywamy hierarchią mas neutrin – to kolejna zagadka, którą JUNO ma szansę rozwiązać.

Atsuko Ichikawa, fizyczka z Uniwersytetu Tohoku w Sendai, nazywa pierwszą recenzowaną publikację danych JUNO „wielką sprawą dla nauki o neutrinach”. „Imponujące jest to, jak precyzja poprawiła się od razu” – komentuje.

Co dalej? JUNO dopiero się rozkręca

JUNO ma przed sobą ambitny program badawczy. Oprócz neutrin reaktorowych będzie badać neutrina słoneczne, atmosferyczne, a nawet te pochodzące z wybuchów supernowych. Każde z tych źródeł dostarcza innych informacji. Celem jest nie tylko precyzyjne wyznaczenie parametrów oscylacji, ale przede wszystkim ustalenie, która z trzech mas neutrin jest najlżejsza, a która najcięższa.

Jak zauważa portal Science, JUNO może wyprzedzić znacznie większe i droższe konkurencyjne projekty w wyścigu o uporządkowanie neutrin według masy. Jeśli tak się stanie, chińskie obserwatorium na stałe zapisze się w historii fizyki. A my wreszcie poznamy odpowiedź na pytanie, które dręczy naukowców od dziesięcioleci: skąd neutrina biorą swoją masę?