Grootste neutrinodetector ter wereld publiceert spectaculaire vroege resultaten

Op 19 en 20 november 2025 onthulde het team achter het Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) de eerste natuurkundige resultaten van het experiment – en die kwamen veel sneller dan veel wetenschappers hadden verwacht. Met een effectieve meettijd van minder dan twee maanden heeft JUNO nu al metingen verricht van twee fundamentele neutrinoparameters met een grotere precisie dan het wereldwijde record dat in de loop van decennia aan experimenten is opgebouwd.

Wat JUNO is en waarom het ertoe doet

JUNO is een volgende generatie, grote vloeibare-scintillatordetector die ongeveer 700 meter diep onder een granieten deklaag in Jiangmen, in de provincie Guangdong, ligt. Het centrale element is een acrylbol van 35,4 meter die ongeveer 20.000 ton ultrazuivere scintillerende vloeistof bevat. Deze wordt geobserveerd door ongeveer 40 tot 45 duizend fotomultiplicatorbuizen (PMT's) die gemonteerd zijn in een waterbassin van 44 meter dat zorgt voor afscherming en muon-tagging. Het instrument begon op 26 augustus 2025 met het verzamelen van natuurkundige data, na meer dan tien jaar van ontwerp en bouw.

Neutrino's zijn berucht vluchtige deeltjes: biljoenen stromen er elke seconde door ieder van ons heen, maar ze gaan bijna nooit een interactie aan. Die zeldzaamheid is precies de reden waarom enorme detectoren zoals JUNO nodig zijn. Wanneer een neutrino wel reageert in de scintillator, ontstaat er een zwakke lichtflits; gevoelige PMT's vangen het licht op, waardoor natuurkundigen de energie en identiteit van het neutrino kunnen reconstrueren. JUNO's omvang en op maat gemaakte fotodetectoren maken het de meest gevoelige faciliteit ter wereld voor laagenergetische neutrino's die worden geproduceerd door kernreactoren en andere bronnen.

Vroege oogst: precisie na 59 dagen

De collaboratie analyseerde gegevens verzameld tussen 26 augustus en 2 november 2025 – een effectieve dataset van 59 dagen – en rapporteerde metingen van de zonnemengingshoek (θ12) en de kleinere zonmassa-splitsing (Δm2_21). Met behulp van ongeveer 2.400 reactor-antineutrino-events die in die periode werden verzameld, bereikte JUNO een ongeveer 1,6-voudige verbetering in precisie ten opzichte van de gecombineerde eerdere metingen van dezelfde parameters.

Die twee getallen zijn hoekstenen van het drie-smaken-neutrino-oscillatiekader: θ12 bepaalt hoe elektronneutrino's zich bij lage energieën mengen met andere smaken, en Δm2_21 bepaalt de frequentie van de oscillatie die wordt aangedreven door het verschil in de kwadraten van twee neutrinomassa's. Het verbeteren van de precisie van deze grootheden scherpt elke daaropvolgende test van neutrinogedrag aan, van zoektochten naar de massa-ordening tot studies van neutrino's van de zon en supernova's.

Een hardnekkige spanning: resultaten van zon versus reactor

Een opvallend aspect van JUNO's vroege analyse is dat het een milde maar aanhoudende discrepantie bevestigt – ongeveer 1,5 standaarddeviaties – tussen θ12- en Δm2_21-waarden die zijn afgeleid uit zonneneutrino-experimenten en de waarden verkregen uit reactorneutrino-experimenten. Deze 'zon-reactor-spanning' is al enkele jaren met een lage significantie zichtbaar in wereldwijde fits; JUNO's uiterst nauwkeurige reactormeting reproduceert het verschil in plaats van het glad te strijken.

Dat is belangrijk omdat, als de spanning toeneemt bij betere gegevens, dit een teken zou kunnen zijn van fysica buiten het drie-smaken-oscillatiemodel – bijvoorbeeld niet-standaard neutrino-interacties, exotische steriele toestanden of subtiele problemen in zonnemodellering. Als alternatief zou het kunnen wijzen op onderschatte systematische onzekerheden in een of meer experimentele benaderingen. JUNO bevindt zich in een unieke positie om die dubbelzinnigheid op te lossen, omdat de detector zowel reactor- als zonneneutrino's zal meten binnen hetzelfde instrument en met dezelfde kalibratiesystemen.

Waarom neutrino's een portaal naar nieuwe fysica zijn

Neutrino's dwongen al tot een heroverweging van het Standaardmodel toen oscillaties impliceerden dat ze massa hebben – een feit dat de oorspronkelijke formulering van het Standaardmodel niet voorspelde. Het patroon van massa's en mengingen is ongebruikelijk in vergelijking met andere fermionen en kan aanwijzingen bevatten over hoe massa wordt gegenereerd op hoge energieschalen. Het met precisie vaststellen van oscillatieparameters opent een venster op minuscule afwijkingen van het drie-smaken-paradigma die kunnen duiden op nieuwe krachten, nieuwe deeltjes of verbanden met de materie-antimaterie-asymmetrie van het universum.

Het langetermijnprogramma van JUNO gaat veel verder dan de eerste twee parameters. De collaboratie streeft ernaar de neutrinomassa-ordening te bepalen (of de derde massatoestand zwaarder of lichter is dan de andere twee), veel oscillatieparameters tot sub-procent precisie te pushen, neutrino's van de eerstvolgende nabijgelegen supernova te detecteren, geoneutrino's te meten die het binnenste van de aarde onderzoeken, en te zoeken naar zeldzame processen die het Standaardmodel direct zouden schenden.

Technische prestatie en schaal

Het behalen van de vroege resultaten vereiste meer dan alleen een grote tank. JUNO bevat verschillende technologische doorbraken: een zeer transparante, ultrazuivere scintillator waardoor licht ver kan reizen zonder te verstrooien; grote, uiterst efficiënte PMT's die ontworpen zijn om zwakke flitsen op te vangen; en een uitgebreid kalibratiesysteem om de detectorrespons nauwkeurig in kaart te brengen over de gehele bol van 35 meter. Samen stellen deze systemen wetenschappers in staat om echte neutrino-events te scheiden van achtergrondruis en energieën te meten met de fijne resolutie die nodig is om oscillatie-effecten te extraheren.

Wat volgt er nu

• Massa-ordening. Het bepalen of de drie neutrinomassa-toestanden 'normaal' of 'geïnverteerd' zijn geordend, is een primair doel van JUNO en zal enkele jaren aan gegevens op volle gevoeligheid vergen.
• Zonneneutrino's in JUNO. Door dezelfde detector te gebruiken om zowel reactor- als zonneneutrino's te meten, kan JUNO testen of de waargenomen zon-reactor-spanning een experimenteel artefact is of een oprechte fysieke anomalie.
• Bredere zoektochten. Met de toenemende blootstelling zal JUNO zoeken naar afwijkingen van het standaard oscillatiebeeld, zoeken naar steriele neutrino's op bepaalde massaschalen, en klaarstaan om de neutrino-uitbarsting van een galactische supernova op te vangen, mocht die plaatsvinden.

Hoe het vakgebied zal reageren

Nieuwe experimenten herschrijven zelden op de eerste dag de leerboeken, maar JUNO's initiële prestaties zijn precies wat het vakgebied wilde zien: de detector doet waarvoor hij is ontworpen en levert direct toonaangevende precisie. De bevestiging van de zon-reactor-spanning zal aanzetten tot nauwkeurig onderzoek en nieuwe controles, en het zal theoretici inspireren om modellen te herzien die een dergelijk effect zouden kunnen produceren. In de loop van de komende jaren zal de gestage stroom aan gegevens van hoge kwaliteit van JUNO deze spanning ofwel oplossen, ofwel omzetten in een statistisch significante anomalie die vraagt om nieuwe fysica.