Китайский нейтринный детектор JUNO за 59 дней превзошёл точность экспериментов, длившихся десятилетиями

Подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь (сокращённо JUNO) в провинции Гуандун на юге Китая представила первые научные результаты. Проекту нового поколения потребовалось всего пятьдесят девять дней сбора данных в конце прошлого года, чтобы зафиксировать детали превращения нейтрино с точностью, превосходящей показатели прошлых экспериментов, длившихся десятилетиями. Это достижение выводит Китай в лидеры в одной из самых конкурентных областей фундаментальной физики — изучении самых неуловимых частиц во Вселенной.

Нейтрино — одна из самых загадочных элементарных частиц. Она обладает настолько малой массой, что стандартная модель физики элементарных частиц — главная теоретическая конструкция, описывающая устройство материи, — не может объяснить, откуда эта масса берётся. Чтобы разгадать эту тайну, учёные исследуют нейтринные осцилляции — удивительную способность частиц менять свой «аромат» (тип) во время полёта. Нейтрино рождается как один тип, летит, и по дороге превращается в другой. Это квантовое явление — ключ к пониманию того, почему частица вообще имеет массу.

Как устроен гигантский детектор

Детектор JUNO представляет собой тридцатипятиметровую акриловую сферу, заполненную двадцатью тысячами тонн жидкого сцинтиллятора. Сцинтиллятор — это специальное органическое вещество, которое способно светиться при поглощении ионизирующего излучения или столкновении с элементарными частицами. Проще говоря, это «световая ловушка» для радиации и неуловимых частиц вроде нейтрино. Когда нейтрино (а их чрезвычайно трудно зафиксировать, потому что они почти не взаимодействуют с веществом) всё же сталкивается с протоном внутри детектора, возникает крошечная вспышка света.

Эти вспышки регистрируют сорок три тысячи фотоэлектронных умножителей — приборов, способных улавливать единичные фотоны (частицы света). Такое количество датчиков и огромный объём сцинтиллятора делают JUNO самым чувствительным нейтринным телескопом в мире. В данном исследовании учёные изучали электронные нейтрино, излучаемые ядерным реактором, расположенным на расстоянии более пятидесяти трёх километров от детектора.

Три аромата и два ключевых параметра

Существует три «аромата» нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Ядерные реакторы генерируют исключительно электронные нейтрино. Но часть из них по пути к детектору меняет свой тип — превращается в мюонные или тау-нейтрино. Измерив количество долетевших до детектора частиц и их энергию, учёные JUNO рассчитали два ключевых параметра нейтринных осцилляций. Точность этих расчётов оказалась в 1,6 раза выше, чем у прежних установок, которые собирали данные годами и десятилетиями.

Зачем это нужно? Главная цель — определить иерархию масс нейтрино. Масса нейтрино может принимать одно из трёх возможных значений (по числу «ароматов»). Ранее выяснилось, что два значения близки друг к другу, а третье сильно от них отличается. Но какое из двух близких значений больше, а какое меньше? Это и есть вопрос «иерархии масс». Нормальная иерархия (два лёгких и один тяжёлый) или инвертированная (два тяжёлых и один лёгкий)? Ответ на этот вопрос перекроет карту фундаментальной физики.

Шесть лет на уникальные датчики

Инициатор проекта Ван Ифан из Института физики высоких энергий в Пекине отметил, что на создание уникальных фотоэлектронных умножителей ушло шесть лет. Именно они обеспечили беспрецедентную чувствительность детектора. Китайские инженеры разработали технологию, которая позволила покрыть огромную сферу датчиками, улавливающими свет с невероятной эффективностью.

Успешный старт JUNO даёт обсерватории шанс определить порядок масс нейтрино раньше, чем это сделают конкурирующие строящиеся мегаустановки в США и Японии. Гонка трёх гигантов — китайского JUNO, американского и японского проектов — вступила в решающую фазу. И Китай вышел вперёд.

Крупнейшая коллаборация в истории китайской науки

Проект JUNO объединяет семьсот пятьдесят участников из семнадцати стран, став крупнейшей международной коллаборацией в истории китайской науки. Физики со всего мира приехали в провинцию Гуандун, чтобы работать с уникальным детектором и анализировать данные. Ван Ифан надеется, что этот успех откроет дорогу для строительства в Китае гигантского Кольцевого электрон-позитронного коллайдера — следующего поколения ускорителей частиц, который поможет ответить на вопросы, недоступные даже Большому адронному коллайдеру.

Пока до точного понимания массы нейтрино и окончательных результатов ещё далеко. Но новые данные знаменуют собой огромный шаг вперёд. JUNO доказал, что его концепция работает, а технология позволяет собирать данные с невиданной скоростью и точностью. И возможно, через несколько лет именно китайская обсерватория первой в мире объявит: тайна иерархии нейтринных масс решена. И тогда стандартную модель физики придётся переписывать. А может быть, и строить заново.