Chiński detektor zbliża się do rozwikłania zagadki masy neutrin

Neutrina są wszędzie — co sekundę przelatują przez twoje ciało miliardy tych cząstek, a ty nawet tego nie czujesz. Są tak lekkie, że przez dziesięciolecia fizycy uważali je za całkowicie bezmasowe. Dziś wiemy, że jednak coś ważą, ale skąd bierze się ta masa — pozostaje jedną z największych zagadek współczesnej fizyki. Najnowsze wyniki z chińskiego podziemnego obserwatorium JUNO właśnie przybliżyły nas do odpowiedzi.

Detektor, który widzi to, co niewidzialne

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

JUNO — Jiangmen Underground Neutrino Observatory — to gigantyczna konstrukcja ukryta głęboko pod ziemią w prowincji Guangdong w Chinach. Jej sercem jest akrylowa kula o średnicy 35 metrów, wypełniona 20 tysiącami ton organicznego roztworu. Kiedy neutrino zderza się z protonem w jednym z jąder atomowych, pojawiają się dwa następujące po sobie błyski światła, rejestrowane przez 43 tysiące fotopowielaczy umieszczonych na wewnętrznej powierzchni kuli.

Jak donosi Nature, w pierwszej publikacji z danymi z JUNO wykorzystano zaledwie 59 dni obserwacji zebranych pod koniec 2025 roku. Mimo tak krótkiego czasu udało się zmierzyć kluczowe parametry transformacji neutrin z precyzją 1,6 razy lepszą niż w przypadku poprzednich eksperymentów, które działały przez dekady.

Neutrinowe zmiany tożsamości

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

Neutrina występują w trzech „smakach” — elektronowych, mionowych i taonowych. Reaktory jądrowe produkują ogromne ilości neutrin elektronowych, ale w trakcie podróży do detektora część z nich zmienia smak na inny. To zjawisko, zwane oscylacją neutrin, jest kluczem do zrozumienia ich masy.

Fizycy z JUNO policzyli, ile neutrin elektronowych dotarło do detektora bez zmiany tożsamości i jak ta liczba zależy od energii cząstek. Na tej podstawie oszacowali dwa parametry opisujące, jak często neutrina zmieniają smak. „To robi wrażenie, jak bardzo poprawiła się precyzja za jednym razem” — komentuje Atsuko Ichikawa, fizyczka z Tohoku University w japońskim Sendai, cytowana przez Nature.

Neutrina mogą mieć jedną z trzech możliwych wartości masy. Wcześniejsze eksperymenty wykazały, że dwie z tych wartości są niezwykle blisko siebie, podczas gdy trzecia jest od nich znacznie oddalona. To oznacza, że możliwe są dwa scenariusze: albo mamy dwie skrajnie małe masy i jedną większą, albo odwrotnie — dwie większe i jedną skrajnie małą. Odkrycie, który układ jest prawdziwy, zmieniłoby nasze rozumienie fundamentalnej hierarchii cząstek elementarnych.

Dlaczego to ma znaczenie?

Model standardowy fizyki cząstek — nasza najlepsza teoria opisująca materię i siły — nie potrafi wyjaśnić, skąd neutrina biorą swoją masę. To jedna z kilku poważnych luk w tym modelu. Jeśli uda się rozstrzygnąć hierarchię mas neutrin, fizycy będą mogli sprawdzić różne teorie wykraczające poza model standardowy, w tym te przewidujące istnienie nowych, ciężkich cząstek.

Wang Yifang, inicjator JUNO i jego rzecznik od 2013 roku, przyznał w rozmowie z Nature, że wielu badaczy miało wątpliwości, czy maszyna osiągnie planowaną czułość. „Było wiele bolesnych chwil, komplikacji, trudności i krytycznych momentów, ale myślę, że ostatecznie czujemy się z tym bardzo dobrze” — mówi fizyk z Instytutu Fizyki Wysokich Energii w Pekinie. I dodaje: „Szczerze mówiąc, nigdy nie miałem wątpliwości, że to się uda”.

JUNO będzie badać neutrina z różnych źródeł — ze Słońca, wnętrza Ziemi, wybuchów supernowych i atmosfery. Każde z nich dostarczy innych informacji o zachowaniu i właściwościach tych tajemniczych cząstek. To dopiero początek nowej ery w fizyce neutrin.