W Chinach powstał ogromny zbiornik. Pomoże rozwiązać zagadkę wszechświata

Początek XX wieku był czasem, gdy nasze rozumienie fundamentalnych sił natury uległo kompletnej redefinicji. Przez kolejne stulecie doskonaliliśmy się w detekcji cząstek elementarnych i zjawisk, w których biorą udział, formułowaniu doskonalszych teorii. Pewne podstawowe zagadki, które determinują to jaki jest Wszechświat, zostały częściowo rozwiązane. Ogromnym sukcesem było odkrycie w CERN bozonu Higgsa, który uczestniczy w oddziaływaniu odpowiedzialnym za nadanie materii masy. Kosmos wypełniają jednak pewne cząstki elementarne, które wciąż stanowią dla nas zagadkę, choć od 1930 r. spodziewaliśmy się ich istnienia, potwierdzonego detekcją w 1956 r. To neutrina, które nie mają one ładunku i bardzo, ale to bardzo słabo oddziałują z materią.

Można powiedzieć, że materia jest dla nich praktycznie przejrzysta. W chwili gdy czytacie to zdanie, przenikają przez was setki bilionów neutrin, a wy nawet sobie z tego nie zdajecie sprawy. Fizycy nie są jednak z tego powodu zadowoleni - chcą bowiem je badać. By poradzić sobie z tym problemem, budują ogromne detektory, umieszczone pod Ziemią, często otoczone otoczką z wody (ta izoluje doskonale przed promieniowaniem kosmicznym, które potrafi zakłócić obserwacje). Zbiorniki wypełnione są albo ultraczystą wodą, albo innymi substancjami reagującymi na przelot neutrin, oraz otoczone detektorami. Neutrina przenikając przez detektor rzadko, ale jednak, oddziałują z czynnikiem roboczym detektora czego efektem są ślady (np. emisja światła), które można zarejestrować. I w ten sposób poznajemy jedne z najbardziej podstawowych cząstek, które decydują o tym jaka jest opisująca nasz świat fizyka.

Detektor neutrin musi być duży. Ogromny. I taki będzie JUNO

Detektor neutrin, który nazywa się JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), a niedługo zostanie uruchomiony, znajduje się pod 700 metrową warstwą granitowej skały. Sferyczny zbiornik ma 36 metrów średnicy i wypełniony jest 20 tysiącami ton liniowego alkilobenzenu (jeden ze składników środków wykorzystywanym między innymi w przemysłowych środkach czystości). Urządzenie otoczone akrylową kulą, a na jej zewnątrz sensorami zanurzone jest w ultra czystej wodzie w zbiorniku o rozmiarze około 44 metrów.

Jednym z głównych elementów konstrukcji JUNO jest największy na świecie akrylowy zbiornik. Ma 36 m średnicy, waży ponad 600 ton, a jego ścianki mają 12 cm grubości.

Miejsce, gdzie powstaje JUNO jest wam prawdopodobnie dobrze znane. To prowincja Guangdong, najbogatsza w Chinach, gdzie zlokalizowana jest spora cześć tamtejszego przemysłu elektronicznego. To też najbardziej zaludniona prowincja na południu Chin, której jednym z miast jest Shenzen, gdzie swoje zakłady ma między innymi producent smartfonów Honor. Detektor zlokalizowany jest około 150 km na zachód od tego miasta.

Budowa sfery JUNO, w której wnętrzu znalazł się akrylowy zbiornik. (fot: JUNO)

Neutrina powstają w różnych procesach, w początkach wszechświata, są wytwarzane w gwiazdach (w tym Słońcu, czy eksplozjach supernowych), a nawet w ziemskiej atmosferze, ale są także emitowane podczas reakcji jądrowych, na przykład w elektrowniach (to sztuczne źródło neutrin). Właśnie to ostatnie źródło (dwie elektrownie atomowe Yangjiang oraz Taishan w odległości 53 km od detektora), dostarczy JUNO podstawowych obiektów do badania, a dokładnie nawet nie neutrina, a antyneutrina, czyli antycząstki. JUNO będzie oczywiście wrażliwy także na te inne neutrina, które dotrą z atmosfery, wnętrza Ziemi i kosmosu.

Po co budujemy JUNO i inne detektory neutrin

Jeszcze nie tak dawno podejrzewano, że neutrina nie mają w ogóle masy. Teraz wiemy, że neutrina mają niezerową masę spoczynkową. Rozróżniamy trzy rodzaje neutrin - elektronowe, mionowe i taonowe, a ich dokładne uszeregowanie względem ich masy jest jednym z wyzwań dzisiejszej fizyki. Zdolność określenia jaka jest ich masa pozwoli tworzyć precyzyjniejsze modele wszechświata, wyeliminować niewiadome z obecnych, a także przyczyni się do wyjaśnienia dziś jeszcze tajemniczych zjawisk, które obserwują astronomowie.

Po uruchomieniu JUNO stanie się największym detektorem neutrin i tym o największej dokładności pomiarów.

Odpowiedź na pytanie jakie są masy poszczególnych neutrin ma wynikać z pomiarów za pomocą detektora JUNO. Jego pracę w przyszłości zweryfikują inne detektory - budowany w USA w Fermilabie DUNE, a także japoński Hyper-Kamiokande. Ich uruchomienie przewidziano na rok 2027 i 2031. Mimo entuzjazmu jaki towarzyszy uruchomieniu w przyszłym roku JUNO, trudno mieć całkowitą pewność, że rozwiążemy wszystkie zagadki. Z pewnością pojawią się nowe pytania, a być może JUNO, Hyper-Kamiokande i DUNE okażą się wciąż niewystarczająco czułe, by wszystko wyjaśnić. W końcu JUNO nie jest pierwszym detektorem, od dekad budowane są coraz doskonalsze urządzenia tego typu.

Źródło: JUNO, inf. własna