Największy na świecie detektor neutrin publikuje spektakularne wstępne wyniki

W dniach 19–20 listopada 2025 r. zespół stojący za Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) ujawnił pierwsze odkrycia fizyczne eksperymentu — i pojawiły się one znacznie szybciej, niż spodziewało się wielu naukowców. Przy czasie pracy wynoszącym niespełna dwa miesiące, JUNO dostarczyło już pomiary dwóch fundamentalnych parametrów neutrin z precyzją wyższą niż światowy rekord budowany przez dziesięciolecia eksperymentów.

Czym jest JUNO i dlaczego ma znaczenie

JUNO to wielkoskalowy detektor nowej generacji z ciekłym scyntylatorem, umieszczony około 700 metrów pod granitowym nadkładem w Jiangmen, w prowincji Guangdong. Jego centralnym elementem jest akrylowa sfera o średnicy 35,4 metra, mieszcząca około 20 000 ton ultra-czystej cieczy scyntylacyjnej, obserwowana przez około 40–45 tysięcy fotopowielaczy (PMT) zamontowanych wewnątrz 44-metrowego basenu wodnego, który zapewnia osłonę i umożliwia wykrywanie mionów. Przyrząd rozpoczął gromadzenie danych fizycznych 26 sierpnia 2025 r., po ponad dekadzie projektowania i budowy.

Neutrina to słynące z nieuchwytności cząstki: biliony z nich przenikają przez każdego z nas w każdej sekundzie, a mimo to prawie nigdy nie wchodzą w interakcje. Ta rzadkość jest właśnie powodem, dla którego potrzebne są masywne detektory, takie jak JUNO. Kiedy neutrino wchodzi w interakcję w scyntylatorze, wytwarza słaby błysk światła; czułe fotopowielacze rejestrują to światło, pozwalając fizykom odtworzyć energię i tożsamość neutrina. Rozmiar JUNO i niestandardowe fotodetektory czynią go najczulszym obiektem na świecie do badania neutrin o niskiej energii, wytwarzanych przez reaktory jądrowe i inne źródła.

Wczesne żniwa: precyzja po 59 dniach

Współpraca przeanalizowała dane zebrane między 26 sierpnia a 2 listopada 2025 r. — co stanowi efektywny zbiór danych z 59 dni — i przedstawiła pomiary słonecznego kąta mieszania (θ12) oraz mniejszego słonecznego parametru rozszczepienia mas (Δm2_21). Wykorzystując około 2400 zdarzeń antyneutrin reaktorowych zarejestrowanych w tym okresie, JUNO osiągnęło około 1,6-krotną poprawę precyzji w stosunku do połączonych wcześniejszych pomiarów tych samych parametrów.

Te dwie liczby są kamieniami węgielnymi modelu oscylacji trzech zapachów neutrin: θ12 określa, jak neutrina elektronowe mieszają się z innymi zapachami przy niskich energiach, a Δm2_21 wyznacza częstotliwość oscylacji napędzaną przez różnicę kwadratów mas dwóch neutrin. Poprawa precyzji tych wartości wyostrza każdy kolejny test zachowania neutrin, od poszukiwań hierarchii mas po badania neutrin ze Słońca i supernowych.

Utrzymujące się napięcie: wyniki słoneczne kontra reaktorowe

Jednym z uderzających aspektów wczesnej analizy JUNO jest potwierdzenie niewielkiej, lecz trwałej rozbieżności — około 1,5 odchylenia standardowego — między wartościami θ12 i Δm2_21 wyznaczonymi w eksperymentach z neutrinami słonecznymi a tymi uzyskanymi z neutrin reaktorowych. To „napięcie słoneczno-reaktorowe” było widoczne przy niskiej istotności statystycznej w globalnych dopasowaniach od kilku lat; precyzyjny pomiar reaktorowy z JUNO reprodukuje tę różnicę, zamiast ją zacierać.

Jest to istotne, ponieważ jeśli napięcie wzrośnie wraz z dokładniejszymi danymi, może to być sygnał fizyki wykraczającej poza model oscylacji trzech zapachów — na przykład niestandardowych oddziaływań neutrin, egzotycznych stanów sterylnych lub subtelnych problemów w modelowaniu procesów słonecznych. Alternatywnie, może to wskazywać na niedoszacowane niepewności systematyczne w jednym lub kilku podejściach eksperymentalnych. JUNO ma unikalną pozycję, by rozstrzygnąć tę niejednoznaczność, ponieważ detektor będzie mierzył zarówno reaktorowe, jak i neutrina słoneczne za pomocą tego samego instrumentu i tych samych systemów kalibracyjnych.

Dlaczego neutrina są portalem do nowej fizyki

Neutrina wymusiły już zrewidowanie Modelu Standardowego, gdy odkrycie ich oscylacji zasygnalizowało, że posiadają one masę — fakt, którego pierwotna sformułowanie Modelu Standardowego nie przewidywało. Wzorzec mas i mieszania jest niezwykły w porównaniu z innymi fermionami i może zawierać wskazówki dotyczące sposobu generowania masy przy wysokich skalach energii. Precyzyjne wyznaczenie parametrów oscylacji otwiera okno na maleńkie odchylenia od paradygmatu trzech zapachów, które mogłyby sygnalizować nowe siły, nowe cząstki lub powiązania z asymetrią materia–antymateria we wszechświecie.

Długofalowy program JUNO wykracza daleko poza pierwsze dwa parametry. Współpraca ma na celu określenie hierarchii mas (neutrino mass ordering) — czyli tego, czy trzeci stan masowy jest cięższy, czy lżejszy od pozostałych dwóch — a także zwiększenie precyzji wielu parametrów oscylacji do poziomu poniżej jednego procenta, wykrycie neutrin z kolejnej bliskiej supernowej, pomiar geoneutrin badających wnętrze Ziemi oraz poszukiwanie rzadkich procesów, które bezpośrednio łamałyby Model Standardowy.

Osiągnięcie techniczne i skala

Uzyskanie tak wczesnych wyników wymagało czegoś więcej niż tylko dużego zbiornika. JUNO wykorzystuje kilka przełomowych rozwiązań technologicznych: wysoce przejrzysty, ultra-czysty scyntylator, który pozwala światłu podróżować na duże odległości bez rozpraszania; duże, wysokowydajne fotopowielacze zaprojektowane do wychwytywania słabych błysków; oraz kompleksowy system kalibracji do precyzyjnego mapowania odpowiedzi detektora w całej 35-metrowej sferze. Razem systemy te pozwalają naukowcom oddzielić prawdziwe zdarzenia neutrinowe od tła i mierzyć energie z wysoką rozdzielczością niezbędną do wyodrębnienia efektów oscylacyjnych.

Co dalej

• Hierarchia mas. Ustalenie, czy trzy stany masy neutrin są ułożone w porządku „normalnym” czy „odwróconym”, jest głównym celem JUNO i zajmie kilka lat zbierania danych przy pełnej czułości.
• Neutrina słoneczne wewnątrz JUNO. Użycie tego samego detektora do pomiaru zarówno neutrin reaktorowych, jak i neutrin słonecznych pozwoli JUNO sprawdzić, czy obserwowane napięcie słoneczno-reaktorowe jest artefaktem eksperymentalnym, czy autentyczną anomalią fizyczną.
• Szersze poszukiwania. Wraz z gromadzeniem danych, JUNO będzie badać odchylenia od standardowego obrazu oscylacji, szukać neutrin sterylnych w określonych skalach mas i pozostawać w gotowości do uchwycenia rozbłysku neutrin z galaktycznej supernowej, jeśli taka by wystąpiła.

Jak zareaguje środowisko naukowe

Nowe eksperymenty rzadko zmieniają podręczniki już pierwszego dnia, ale inauguracyjne wyniki JUNO są dokładnie tym, czego oczekiwało środowisko naukowe: detektor robi to, do czego został zaprojektowany, i od razu dostarcza światowej klasy precyzję. Potwierdzenie napięcia słoneczno-reaktorowego sprowokuje wnikliwe analizy i nowe kontrole krzyżowe, a także zainspiruje teoretyków do ponownego rozważenia modeli, które mogłyby wywołać taki efekt. W ciągu najbliższych kilku lat stały dopływ wysokiej jakości danych z JUNO albo rozwiąże to napięcie, albo przekształci je w istotną statystycznie anomalię wymagającą nowej fizyki.