JUNO

Схема главного детектора JUNO с подписями — рисунок, а не фотография установки.
Схема главного детектора JUNO с подписями — рисунок, а не фотография установки.Фото: JUNO Collaboration, CC BY 4.0, Wikimedia Commons

JUNO — Jiangmen Underground Neutrino Observatory — крупнейший в мире детектор на жидком сцинтилляторе. Он расположен на глубине 700 метров под землёй в южнокитайской провинции Гуандун и 26 августа 2025 года начал измерения.

Тем самым JUNO стал первым проектом нового поколения очень больших нейтринных детекторов, который действительно набирает данные.

Вопрос

То, что нейтрино обладают массой, доказано с 1998 года. Неизвестен до сего дня их порядок.

Из нейтринных осцилляций известны только разности квадратов масс, но не сами массы. Со всеми измерениями совместимы два расположения: либо два состояния лёгкие, а одно заметно тяжелее — нормальный порядок, — либо наоборот, два тяжёлые и одно лёгкое, обращённый порядок.

Этот вопрос — не бухгалтерия. От него зависит, насколько перспективен поиск безнейтринного двойного бета-распада, как космология оценивает сумму масс нейтрино и какие модели за пределами Стандартной модели вообще принимаются в расчёт.

Хитрый приём: две электростанции на одинаковом расстоянии

JUNO принимает антинейтрино от двух атомных электростанций, Тайшань и Янцзян. Обе находятся примерно в 53 километрах — и притом намеренно почти точно на одинаковом удалении.

Причина расчётного свойства. На таком расстоянии накладываются друг на друга две осцилляции с очень разными длинами волн: медленная и быстрая. Быстрая создаёт в энергетическом спектре приходящих антинейтрино тонкую волновую структуру, и где именно лежат эти волны, зависит от порядка масс.

Если бы обе электростанции находились на разном удалении, их картины сместились бы одна относительно другой и тонкая структура смазалась бы. Отсюда одинаковое расстояние.

Почему это так трудно

Чтобы сделать эту волновую структуру видимой, нужно энергетическое разрешение, какого до сих пор не достигал ни один детектор такого размера: около трёх процентов при одном мегаэлектронвольте. Для сравнения: прежние сцинтилляционные детекторы находились на уровне от шести до восьми процентов.

Разрешение зависит от того, сколько фотонов улавливается на одно событие. Поэтому JUNO доводит до предела сразу три вещи:

Объём. 20 000 тонн сцинтиллятора в акриловом шаре диаметром 35,4 метра — крупнейший прозрачный сосуд из когда-либо построенных.

Светосбор. Около 17 600 больших фотоумножителей диаметром полметра, дополненных примерно 25 600 маленькими. Вместе они покрывают почти восемьдесят процентов поверхности шара.

Чистота. Сцинтиллятор должен быть таким же чистым, как у Borexino, — только в семидесятикратном объёме. Установки очистки для этого разработаны специально.

Что ещё будет измерять JUNO

Детектор такого размера никогда не годится лишь для одного вопроса.

Параметры осцилляций. Три из величин, описывающих матрицу PMNS, JUNO должен определить точнее чем до одного процента — точнее, чем все прежние измерения вместе взятые.

Геонейтрино. Благодаря большому объёму антинейтрино из недр Земли впервые удастся собрать в заметном количестве. Это уточнит вывод о том, какая доля земного тепла происходит от радиоактивного распада.

Солнечные нейтрино. И здесь объём задаёт новые мерки.

Сверхновые. Если в нашей Галактике взорвётся звезда, коллаборация ожидает несколько тысяч событий в течение секунд — более чем в сто раз больше, чем при SN 1987A.

Распад протона. JUNO чувствителен к каналу распада, который водные детекторы вроде Super-Kamiokande видят хуже.

Оценка

Коллаборация насчитывает несколько сотен исследователей примерно из двадцати стран, в их числе институты из Германии, Италии, Франции и России.

Примечательна в JUNO прицельность замысла. Детектор построен не просто большим, а с расчётом на определённое число — расстояние в 53 километра, при котором искомая волновая структура выступает всего отчётливее. Если установка такого размера зависит от одного-единственного расстояния, это показывает, насколько точно была просчитана стоящая за ней физика, прежде чем был вынут первый ковш грунта.

Связанные понятия

Источники

  • Коллаборация JUNO: JUNO Physics and Detector, Progress in Particle and Nuclear Physics 123, 103927 (2022).
  • Institute of High Energy Physics, Китайская академия наук: JUNO Completed Liquid Filling and Begins Data Taking, 27 августа 2025 года.