Gigantyczne podziemne laboratorium w Chinach dokonało przełomu. Zbadali duchy kosmosu

Głęboko pod ziemią w Chinach, ogromne obserwatorium neutrin JUNO dokonało swojego pierwszego ważnego przełomu naukowego. Udowodniło, iż potrafi złapać nieuchwytne neutrina i badać z dokładnością, o jakiej do tej pory fizycy mogli tylko pomarzyć.

Prestiżowe czasopismo Nature opublikowało wyniki eksperymentu w formie artykułu okładkowego, co podkreśla wagę tego odkrycia.

Neutrina należą do najbardziej tajemniczych cząstek we Wszechświecie. Nie niosą ładunku elektrycznego, mają niezwykle małą masę i oddziałują jedynie słabo z materią. W rezultacie ogromne ilości neutrin przenikają przez Ziemię, a choćby przez nasze ciała, nie pozostawiając po sobie śladu.

Duchy kosmosu

Szacunki są szokujące. Przez ludzkie ciało w każdej sekundzie przechodzi średnio około 10 bilionów neutrin, czyli rzędu 10¹ł cząstek na sekundę. Największa część z nich pochodzi ze Słońca, są to tzw. neutrina słoneczne. Każdą sekundę Słońce wysyła ich tak ogromną liczbę, iż na powierzchni Ziemi przez każdy centymetr kwadratowy (czyli mniej więcej paznokieć) przelatuje ich około 60–100 miliardów na sekundę.

Okładka Nature z informacją o odkryciu.

Kluczowe jest jednak to, iż mimo tej gigantycznej liczby praktycznie wszystkie neutrina przelatują przez ciało człowieka bez żadnej interakcji. Ich oddziaływanie z materią jest tak słabe, iż Ziemia i ludzkie ciało są dla nich niemal przezroczyste.

Neutrina zyskały w świecie fizyki w pełni zasłużony przydomek cząstek-duchów. Są niemal niemożliwe do wykrycia z dwóch głównych powodów. Po pierwsze mamy tu brak ładunku elektrycznego, nie wchodzą w interakcje elektromagnetyczne z atomami, z których zbudowane jest Twoje ciało (nie są ani przyciągane, ani odpychane). Do tego dochodzi ekstremalnie mała masa. Neutrina oddziałują z materią niemal wyłącznie dzięki tzw. oddziaływań słabych, przez co kosmicznie trudno zmusić je do zderzenia z czymkolwiek.

Dla przelatującego neutrina materia nie jest litą strukturą, ale gigantyczną, praktycznie pustą przestrzenią kosmiczną wypełnioną rzadko rozsianymi jądrami atomowymi. Cząstka ta potrafi bez problemu przelecieć przez całą kulę ziemską i choćby nie zauważyć, iż minęła jakąkolwiek planetę.

Ze tych powodów neutrina pozostają najmniej poznanymi cząstkami elementarnymi.

Więcej na Spider’s Web:

Krok w stronę uporządkowania mas

Zbieranie danych przez obserwatorium JUNO rozpoczęło się w sierpniu 2025 r. Jednym z głównych celów JUNO jest ustalenie tzw. hierarchii mas neutrin, czyli odpowiedzi na pytanie, jak trzy znane typy tych cząstek są względem siebie uporządkowane pod względem masy. To jedno z kluczowych zagadnień współczesnej fizyki cząstek, które może mieć wpływ na rozumienie ewolucji Wszechświata.

Analiza oparta na pierwszych danych pozwoliła również doprecyzować dwa podstawowe parametry oscylacyjne z wyjątkową dokładnością. Według zespołu badawczego niepewności pomiarowe zostały zmniejszone o około jedną trzecią względem wcześniejszych globalnych wyników, które powstawały przez dekady w różnych eksperymentach na świecie.

Tak wysoka precyzja na tak wczesnym etapie działania detektora potwierdza stabilność aparatury oraz skuteczność zastosowanych metod analizy danych.

Laboratorium 700 m pod ziemią

Eksperyment JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), kierowany przez Instytut Fizyki Wysokich Energii Chińskiej Akademii Nauk, to prawdziwy majstersztyk inżynierii. Serce detektora zlokalizowano aż 700 m pod powierzchnią ziemi, co pozwala odizolować niezwykle czułą aparaturę od zakłóceń i promieniowania kosmicznego.

Głównym elementem gigantycznej konstrukcji jest akrylowa sfera o średnicy ponad 35 m, wypełniona 20 tys. t specjalnego ciekłego scyntylatora (substancja emitująca światło pod wpływem promieniowania jonizującego). Całość została zamknięta w stalowym stelażu o średnicy 41,1 m i zanurzona w głębokim na 44 m basenie wypełnionym wodą.

Aparatura wykorzystuje imponującą armię fotopowielaczy, zamontowano tam 20 tys. dużych, 20-calowych lamp oraz ponad 25 tys. mniejszych, 3-calowych urządzeń. Ich zadaniem jest jednoczesne rejestrowanie mikroskopijnych błysków światła, które powstają, gdy neutrino wchodzi w interakcję z wnętrzem detektora.

Te miniaturowe sygnały świetlne są natychmiast zamieniane na impulsy elektryczne, dając badaczom unikalny wgląd w energię i adekwatności przelatujących cząstek.

Przełomowe wyniki badań nad neutrinami

Zrozumienie zachowania neutrin ma najważniejsze znaczenie dla opracowania pełnego opisu materii i sił w najmniejszej skali. Ta pierwsza analiza buduje pewność, iż detektor będzie w stanie określić uporządkowanie mas. Pierwszy wynik z JUNO oznacza początek nowej ery precyzyjnych pomiarów oscylacji neutrin i dostarczy wglądu we adekwatności tych tajemniczych cząstek fundamentalnych.

JUNO spełnił swoje cele projektowe, osiągając wyjątkową czystość radiologiczną, rozdzielczość energetyczną i stabilność detektora. Eksperyment jest w pełni sprawny i gotowy do realizacji ambitnych celów fizycznych, w tym określenia uporządkowania mas neutrin (NMO), badania parametrów oscylacji neutrin, wykrywania neutrin z różnych źródeł oraz zgłębiania fizyki wykraczającej poza Model Standardowy Cząstek Elementarnych – powiedział prof. Arthur McDonald, który w 2015 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie oscylacji neutrin słonecznych.