JUNO

JUNO — le Jiangmen Underground Neutrino Observatory — est le plus grand détecteur à scintillateur liquide du monde. Il se trouve à 700 mètres sous terre dans la province chinoise méridionale du Guangdong et a commencé à prendre des mesures le 26 août 2025.

JUNO est ainsi le premier projet de la nouvelle génération de très grands détecteurs de neutrinos à prendre effectivement des données.

La question

Que les neutrinos possèdent une masse est établi depuis 1998. Ce que l'on ignore jusqu'à aujourd'hui, c'est leur ordre.

De l'oscillation des neutrinos, on ne connaît que les différences des carrés des masses, non les masses elles-mêmes. Deux dispositions sont compatibles avec toutes les mesures : ou bien deux états sont légers et un nettement plus lourd — l'ordre normal —, ou bien l'inverse, deux lourds et un léger, l'ordre inversé.

Cette question n'est pas de la comptabilité. Il en dépend le caractère prometteur de la recherche de la double désintégration bêta sans neutrinos, la manière dont la cosmologie situe la somme des masses des neutrinos, et quels modèles au-delà du modèle standard entrent seulement en ligne de compte.

Le tour de main : deux centrales à la même distance

JUNO reçoit des antineutrinos de deux centrales nucléaires, Taishan et Yangjiang. Toutes deux se trouvent à quelque 53 kilomètres — et ce, délibérément, presque exactement à la même distance.

La raison en est de nature calculatoire. À cette distance se superposent deux oscillations de longueurs d'onde très différentes : une lente et une rapide. La rapide engendre dans le spectre en énergie des antineutrinos qui arrivent une fine structure ondulée, et où exactement se situent ces ondes dépend de la hiérarchie des masses.

Si les deux centrales se trouvaient à des distances différentes, leurs motifs se décaleraient l'un par rapport à l'autre et la structure fine s'estomperait. D'où la distance identique.

Pourquoi c'est si difficile

Rendre visible cette structure ondulée exige une résolution en énergie qu'aucun détecteur de cette taille n'a atteinte jusqu'ici : environ trois pour cent à un mégaélectronvolt. À titre de comparaison : les détecteurs à scintillateur antérieurs se situaient entre six et huit pour cent.

La résolution dépend du nombre de photons captés par événement. JUNO pousse donc trois choses à la limite en même temps :

Le volume. 20 000 tonnes de scintillateur dans une sphère en acrylique de 35,4 mètres de diamètre — le plus grand récipient transparent jamais construit.

Le rendement lumineux. Quelque 17 600 grands photomultiplicateurs d'un demi-mètre de diamètre, complétés par environ 25 600 petits. Ensemble, ils couvrent près de quatre-vingts pour cent de la surface de la sphère.

La pureté. Le scintillateur doit être aussi propre que celui de Borexino — mais dans un volume soixante-dix fois plus grand. Les installations de purification nécessaires ont été développées spécialement.

Ce que JUNO mesurera par ailleurs

Un détecteur de cette taille n'est jamais bon pour une seule question.

Paramètres d'oscillation. Trois des grandeurs qui décrivent la matrice PMNS doivent être déterminées par JUNO à mieux qu'un pour cent près — plus précisément que toutes les mesures antérieures réunies.

Géoneutrinos. Le grand volume permet de recueillir pour la première fois en nombre appréciable les antineutrinos venus de l'intérieur de la Terre. Cela affine ce que l'on peut dire de la part de la chaleur terrestre qui provient de la désintégration radioactive.

Neutrinos solaires. Ici aussi, le volume établit de nouvelles références.

Supernovae. Si une étoile explose dans notre galaxie, la collaboration attend plusieurs milliers d'événements en quelques secondes — plus de cent fois plus que pour SN 1987A.

Désintégration du proton. JUNO est sensible à un canal de désintégration que les détecteurs à eau comme Super-Kamiokande voient moins bien.

Mise en perspective

La collaboration comprend plusieurs centaines de chercheurs venus d'une vingtaine de pays, parmi lesquels des instituts d'Allemagne, d'Italie, de France et de Russie.

Ce qui est remarquable chez JUNO, c'est la sûreté du but dans la conception. Le détecteur n'est pas construit grand en général, mais en vue d'un nombre déterminé — la distance de 53 kilomètres, à laquelle la structure ondulée recherchée ressort le plus nettement. Qu'une installation de cette taille tienne à une seule distance montre avec quelle précision la physique sous-jacente avait été calculée avant que le premier coup de pioche ne soit donné.

Notions liées

• Neutrinos de réacteur — la source
• Masse du neutrino — l'ordre qui reste ouvert
• Borexino — la référence en matière de pureté
• KamLAND — le précurseur employant la même technique

Sources

• Collaboration JUNO : JUNO Physics and Detector, Progress in Particle and Nuclear Physics 123, 103927 (2022).
• Institute of High Energy Physics, Académie chinoise des sciences : JUNO Completed Liquid Filling and Begins Data Taking, 27 août 2025.