Нейтрино-хамелеоны меняют свой облик по пути к Земле — и китайцы их за это поймали

В горах южного Китая, на глубине более полукилометра под землёй, запущен один из самых амбициозных проектов современной физики — Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO). Десятилетие строительства завершилось созданием 12-этажной сферы из стали и плексигласа, спрятанной под массивом Даши в провинции Гуандун. Сюда посетителей доставляет маленький жёлтый поезд по тоннелю длиной 1,2 км.

JUNO предназначен для исследования самых неуловимых частиц Вселенной — нейтрино. Эти крошечные, лишённые заряда частицы свободно проходят сквозь звёзды, планеты и человеческие тела, практически не взаимодействуя с материей. При этом наблюдения показали: у нейтрино есть масса, что противоречит Стандартной модели физики, которая предсказывает обратное.

Первые доказательства «аномального поведения» появились ещё в 1990-х, когда японский детектор нейтрино Super-Kamiokande и канадская обсерватория Sudbury Neutrino Observatoryзафиксировали расхождения в числе регистрируемых нейтрино. Учёные сделали вывод, что частицы могут переключаться между тремя разновидностями — электронными, мюонными и тау, и это возможно только при наличии массы.

Основной детектор JUNO, вид снаружи, до того как его окружающий водный резервуар был заполнен.

Одна из ключевых задач JUNO — выяснить, какое из трёх состояний нейтрино самое тяжёлое, а какое самое лёгкое. Для этого в центре обсерватории размещён гигантский резервуар с 20 тыс. тонн специальной жидкости, окружённый 40 тыс. фотомножителей. Когда нейтрино сталкивается с протоном, возникает вспышка голубого света — именно её должны улавливать датчики.

Фотомножители — золотистые полусферы — улавливают свет и превращают его в электрический сигнал. Именно они будут фиксировать сигналы нейтрино

Обсерватория будет фиксировать частицы, приходящие от двух атомных станций, расположенных в 53 км. Толща гранита сверху отсекает лишние шумы. В день ожидается около 50 детекций, а для статистически значимого результата понадобится порядка 100 тыс. событий — значит, первые серьёзные выводы можно ждать через шесть лет.

Учёные надеются определить, верна ли схема «нормальной иерархии масс» (два лёгких и один тяжёлый нейтрино) или «обратной» (один лёгкий и два тяжёлых). От ответа зависит, можно ли рассматривать нейтрино как их собственные античастицы. Такой сценарий откроет путь к проверке гипотезы о «механизме качелей», который связывает лёгкие нейтрино с ещё не обнаруженными сверхтяжёлыми частицами — возможными кандидатами в тёмную материю.

Основной комплекс JUNO, примерно в часе езды от города Кайпин

Если окажется, что иерархия обратная, то редкие процессы без испускания антинейтрино можно будет зафиксировать уже в ближайшие 10–15 лет в экспериментах вроде LEGEND в Италии или NEXT в Испании. Для физиков это будет «новая физика за углом».

Кроме основной задачи, JUNO позволит исследовать нейтрино из недр Земли, что поможет понять распределение радиоактивных элементов в мантии и коре. Обсерватория также будет искать сигналы от сверхновых. Так как нейтрино приходят на Землю раньше, чем вспыхивает свет, учёные смогут заранее навести телескопы и увидеть начало космического взрыва.