Китай запустил самый передовой детектор нейтрино JUNO — США и Япония пока только строят схожие установки

Институт физики высоких энергий (IHEP) Китайской академии наук сообщил, что детектор нейтрино нового поколения JUNO приступил к научной работе. Установка стала первым в мире экспериментом по углублённому изучению частиц, называемых «призрачными» за их неуловимую сущность. Одно время нейтрино рассматривались как кандидаты на роль тёмной материи. Теперь их таковыми не считают, но нейтрино продолжают оставаться самыми малоизученными среди элементарных частиц.

Источник изображений: Xinhua

Детектор JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) или «Подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь» расположен на глубине 700 м в вырубленных в скале пещерах. Толща породы отсекает большинство частиц космического и земного происхождения, позволяя приборам фиксировать главным образом события, связанные с регистрацией нейтрино — для этих частиц невозможно создать надёжную преграду. Чтобы частица нейтрино столкнулась с атомом с вероятностью 50 %, нужна сплошная стена свинца толщиной в один световой год. Спасает то, что нейтрино — вторая по распространённости частица во Вселенной, поэтому слабое взаимодействие компенсируется их количеством: кто-то да попадётся.

Непосредственно детектор JUNO представляет собой акриловую сферу диаметром 35 м, погружённую в 40-метровый колодец. По периметру сферы установлены фотоумножители, а сама она заполнена жидкостью со сцинтилляционным эффектом — нейтрино при взаимодействии с ней вызывает серию превращений, сопровождающихся вспышкой света, которая фиксируется со всех сторон. Это позволяет восстановить трек частицы и рассчитать её энергию, а значит, и массу. Пока масса нейтрино измерена с недостаточной точностью, что осложняется тем фактом, что нейтрино осциллируют — буквально меняют свои свойства «на лету», переходя из одного состояния в другое.

Наполнение датчика JUNO сверхчистой водой началось в декабре 2024 года. Колодец и сфера вмещают десятки тысяч тонн жидкости. После заполнения объёма вода постепенно была вытеснена сцинтиллятором (обычно в таких установках используется жидкий аргон). Теперь все подготовительные работы завершены, и лаборатория приступила к научным исследованиям. Срок службы объекта оценивается как минимум в 30 лет. Строительство велось с 2015 по 2021 год. В подготовке проекта участвовали более 700 исследователей из 74 учреждений в 17 странах и регионах мира.

Ожидается, что детектор JUNO ежедневно будет фиксировать около 40 нейтрино от работающих неподалёку атомных реакторов АЭС (в Тайшане и Янцзяне, расположенных в 53 км от установки), несколько атмосферных нейтрино, одно геонейтрино и тысячи солнечных нейтрино. За шесть лет работы учёные рассчитывают зарегистрировать около 100 тыс. событий. Новейшие детекторы позволят уточнить распределение масс всех трёх типов нейтрино: мюонного, электронного и тау-нейтрино. Уточнение масс может открыть дорогу к «новой физике», поскольку нейтрино не вполне вписываются в Стандартную модель элементарных частиц. Насколько именно — покажет работа JUNO и других экспериментов. В частности, к концу десятилетия установки нового поколения появятся в США (DUNE) и Японии (Hyper-Kamiokande).