Megaprojecten
JUNO‑observatorium: Het ontrafelen van de massa‑geheimen van neutrino’s
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Een Glimp Vangen Van Het Meest Ontvluchtende Deeltje
Fundamentele natuurkunde heeft altijd vertrouwd op een mix van theorie en experimenten om ons begrip van het universum te vergroten.
Tot op de dag van vandaag is een van de moeilijkst te beantwoorden vragen de fundamentele aard van de zwaartekracht en de krachten die het universum sturen. Al lang is bekend dat het antwoord waarschijnlijk te vinden is in een ontvluchtend en bijna ononderzoekbaar deeltje: het neutrino.
Een dieper begrip van de aard van neutrino’s kan binnenkort worden bereikt dankzij een Chinees megaproject: JUNO, of het Jiangmen Underground Neutrino Observatory.
Dit is een enorme faciliteit, die uitgebreide internationale samenwerking omvat en jaren in de maak is.
Het moet de resultaten van het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) aanvullen, een Amerikaanse neutrino‑detector die neutrino’s meet via 800 mijl door de aarde (volg de link voor een volledige uitleg van dit megaproject).
Bron: DUNE
Wat zijn Neutrino’s?
Neutrino’s zijn elektrisch neutrale deeltjes met een extreem kleine massa, zo klein dat men lange tijd dacht dat deze nul was.
Momenteel weten we niet waarom neutrino’s massa hebben, behalve dat het blijkbaar op een andere manier werkt dan bij andere deeltjes.
Wat neutrino’s uniek maakt, is dat ze in wezen “spook”-deeltjes zijn, die nauwelijks interageren met andere vormen van materie. Dit komt doordat neutrino’s alleen interageren met 2 van de 4 fundamentele krachten in het universum: zwaartekracht en zwakke interactie.
Aangezien de zwakke interactie een zeer kort bereik heeft, en zwaartekracht nauwelijks invloed heeft op de lichtgewicht neutrino’s, gaan neutrino’s meestal door materie heen zonder te interageren of te vertragen. Daardoor reizen neutrino’s meestal bijna met de snelheid van het licht.
Neutrino’s zijn fundamentele deeltjes die niet in kleinere componenten kunnen worden opgesplitst en komen in 3 varianten: elektronneutrino’s, muonneutrino’s en tau‑neutrino’s. Om het nog ingewikkelder te maken, lijken neutrino’s regelmatig te schakelen tussen deze 3 varianten.
De overgang tussen alle 3 varianten van neutrino’s is gekoppeld aan de massa van elk type neutrino en bevat antwoorden over de fundamentele aard van materie en het universum zelf.
Het is ook mogelijk dat er een vierde type neutrino bestaat, steriele neutrino’s, die alleen via de zwaartekracht met materie zouden interageren, waardoor ze nog moeilijker te detecteren zijn dan de anderen.
De meeste neutrino’s worden geproduceerd door kernreacties, van kernfusies in sterren tot radioactief verval in het centrum van de aarde. En binnen door de mens gemaakte kernreactoren, een feit dat belangrijk is voor het ontwerp van JUNO.
Ondanks hun ontvluchting wordt gedacht dat neutrino’s het meest voorkomende deeltje in het universum zijn. Ongeveer duizend biljoen neutrino’s gaan elke seconde door ons lichaam heen.
(Je kunt meer leren over neutrino’s op de speciale website “all things neutrinos” gemaakt door Fermilab.)
JUNO’s Doelen – Het Bepalen van de Neutrino‑Hiërarchie
JUNO is specifiek gebouwd om de vraag naar de “neutrino‑massahiërarchie” te beantwoorden, de vraag welk type neutrino welk gewicht heeft.
Bron: Berkeley Lab
Dit blijft onduidelijk, ondanks dat de massa’s van neutrino’s gemeten zijn, omdat feitelijk de “kwadraat van de massa” van de deeltjes wordt gemeten. Daardoor maakt de wiskunde twee verschillende mogelijke oplossingen voor de waargenomen resultaten mogelijk, de normale of omgekeerde hiërarchie.
“We hopen te leren hoe leptonen” — elektronen en hun verwanten — tot bestaan kwamen in de momenten na de oerknal, een proces dat kan verklaren waarom er meer materie dan antimaterie in het universum is.
Het beantwoorden van zulke fundamentele vragen zal alleen mogelijk zijn als de waarde van een term die wordt aangeduid als “neutrino‑mengingshoek theta één drie”, geschreven θ13, groter dan nul blijkt te zijn.
Veeg om te scrollen →
| Hiërarchietype | Massa‑volgorde | Implicatie |
|---|---|---|
| Normale hiërarchie | Lichtste = elektronneutrino; zwaarste = tau‑neutrino | Ondersteunt uitbreidingen van het Standaardmodel |
| Omgekeerde hiërarchie | Lichtste = tau‑neutrino; zwaarste = elektronneutrino | Wijst op nieuwe fysica buiten het Standaardmodel |
JUNO’s Ontwerp
De Erfgenaam van het Daya Bay Reactor Neutrino Experiment
JUNO’s vervolgwerk werd uitgevoerd bij het Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, dat toen werd uitgevoerd in samenwerking met het Amerikaanse Department of Energy, op een moment dat wetenschappelijke samenwerking met China minder controversieel was.
Bron: Wikipedia
Na de Nobelprijs-winnende ontdekking rond 2000 van het oscillatieverschijnsel van atmosferische en zonneneutrino’s, ontdekten de Daya Bay-faciliteiten in 2012 voor het eerst een nieuwe modus van neutrino‑oscillatie, door nauwkeurig de eerder genoemde theta‑13 hoek te meten, precies waarvoor het was ontworpen.
Deze ontdekking voltooide het theoretische kader van neutrino‑oscillatie. Het leverde ook richtlijnen voor de volgende generatie experimenten bij het bepalen van de massa‑volgorde van neutrino’s.
De Juiste Locatie Kiezen
De Daya Bay-detector was ontworpen om de neutrino’s te detecteren die werden geproduceerd door de Daya Bay Kerncentrale en de Ling Ao Kerncentrale.
Bron: ResearchGate
Aanvankelijk zou JUNO in een nabijgelegen locatie worden gebouwd. Maar de bouw van een derde kernreactor (de Lufeng Kerncentrale) zou het experiment hebben verstoord, omdat het afhankelijk is van een vaste afstand tot nabijgelegen kernreactoren.
In plaats daarvan werd het gebouwd op een locatie 53 km (33 mijl) van zowel de Yangjiang- als de Taishan-kerncentrales.
Bron: ResearchGate
De reden waarom de afstand tot de kerncentrales belangrijk is, is dat neutrino’s zeer weinig met materie interageren, maar ze doen het toch.
En de interactie met de elektronen van de aardatomen, over voldoende kilometers rots, beïnvloedt de oscillatie tussen de typen neutrino’s.
De langere afstand, vergeleken met de 2 km van de Daya Bay-faciliteit, maakt een grotere gevoeligheid en mogelijkheid om neutrino‑oscillatie te detecteren mogelijk.
Echter, dit vereist ook een veel verbeterde afscherming en een veel grotere detector om een voldoende aantal reactor‑neutrino’s te kunnen vangen.
De hele faciliteit is 700 meter diep onder een berg begraven om het aantal kosmische stralen te verminderen die de detectie van de nabijgelegen kerncentrales zouden verstoren.
Bron: Global Times
Deze ontwerpkeuze verminderde het effect van kosmische stralen, die anders het signaal van neutrino’s zouden vertroebelen, met bijna 100.000 x.
Voorgesteld in 2008 en goedgekeurd door de Chinese Academie van Wetenschappen en de provincie Guangdong in 2013, begon JUNO in 2015 met de ondergrondse bouw.
De installatie van de detector begon in december 2021 en werd voltooid in december 2024.
JUNO heeft een first‑mover‑voordeel en beschikt over een uniek experimenteel ontwerp op het gebied van de fysica. Als een internationaal samenwerkingsproject onder leiding van China zal JUNO de leidende positie van China op dit gebied verder versterken.
Een Gigantisch Scintillerend Bad
De hoofdstructuur van JUNO lijkt op een watermeloen ondergedompeld in water, waarbij de hele bol de meest precieze en grootste neutrino‑detector ter wereld vormt.
Om de interactie van gewone materie met neutrino’s te detecteren, wordt een scintillerende vloeistof gebruikt. Wanneer een neutrino deze raakt, wordt de energie omgezet in licht.
Dit licht wordt vervolgens opgevangen en versterkt door de fotomultiplicatoren (PMT’s) van 20 inch en fotomultiplicatoren van drie inch, evenals kabels, magnetische afschermingsspoelen, lichtschermen en andere componenten.
De centrale vloeistof‑scintillator‑detector in het hart van JUNO heeft een effectieve massa van 20.000 ton en bevindt zich in het midden van een 44 meter diep waterbad.
Bron: Global Times
Een roestvrijstalen truss van 41,1 meter diameter ondersteunt de 35,4 meter acrylische bol, de scintillator, 20.000 fotomultiplicatoren van 20 inch, 25.600 PMT’s van 3 inch, front‑end elektronica, bekabeling, antimagnetische compensatiespoelen en optische panelen.
Alle PMT’s werken gelijktijdig om scintillatie‑licht van neutrino‑interacties op te vangen en om te zetten in elektrische signalen.
Bron: ResearchGate
Massieve Volumes
Sinds december 2024 wordt het bad rondom het systeem gevuld met ultrazuiver water met een snelheid van 100 ton per uur.
Binnen 45 dagen vulde het team 60.000 ton ultrazuiver water, waarbij het vloeistofniveauverschil tussen de binnen- en buitencilinder binnen enkele centimeters bleef en de doorstroomsnelheid onzekerheid onder 0,5 % hield, waardoor de structurele integriteit wordt gewaarborgd.
Bron: IIHE
Dit niveau van precisie en zorgvuldige onderhoud zal de detectie van neutrino’s vergelijkbaar maken, zelfs als er meerdere jaren tussen elk evenement zitten.
In totaal wordt verwacht dat de hele faciliteit meer dan 30 jaar zal opereren.
Het vergde niet alleen nieuwe ideeën en technologieën, maar ook jaren van zorgvuldige planning, testen en doorzettingsvermogen. Het voldoen aan de strenge eisen van zuiverheid, stabiliteit en veiligheid vroeg de toewijding van honderden ingenieurs en technici.
Prof. MA Xiaoyan, JUNO Hoofdingenieur
Het bad beschermt de detector tegen interferentie van de zeldzame kosmische stralen, die een signaal produceren dat lijkt op neutrino‑detectie en dat door de berg erboven heen drong, evenals natuurlijke radioactiviteit van de omringende rots.
De vloeistofinjectie zal in twee fasen plaatsvinden. Tijdens de eerste twee maanden zal ultrazuiver water de ruimtes binnen en buiten de acrylische bol van de centrale detector vullen. In de volgende zes maanden zal het ultrazuivere water binnen de bol worden vervangen door een vloeistof‑scintillator.
JUNO heeft met succes het vullen van zijn 20.000‑ton vloeistof‑scintillator‑detector voltooid en begon op 26 augustus 2025 met het verzamelen van gegevens.
Een Internationale Samenwerking
JUNO wordt gebouwd door een groot internationaal team met meer dan 700 leden uit 17 landen en regio’s. Zelfs de VS is aanwezig in de samenwerking, via de University of California (7 personen) en de University of Maryland (2 personen), waarbij de meeste andere internationale partners Europese landen zijn.
De gegenereerde data zal ook worden verwerkt via internationale onderzoeksbronnen, met deelname van het Chinese Institute of High Energy Physics, het Italiaanse Istituto Nazionale di Fisica Nucleare CNAF, het Russische Joint Institute for Nuclear Research en het Franse Centre de Calcul de l’IN2P3.
Eerste Resultaten
Op 24 augustus werd de eerste neutrino‑botsing met de scintillerende vloeistof gedetecteerd, wat aantoont dat de faciliteit nu klaar is om wetenschappelijke data te produceren.
Bron: EyesOnSci
Deze eerste gegevenspunten geven aan dat, indien iets, JUNO zelfs beter presteert dan verwacht op het gebied van gevoeligheid en meetprecisie.
Maar het zal nog enkele weken of maanden duren voordat de eerste concrete meting van de massa van neutrino’s wordt bevestigd, en langer voordat de wetenschappelijke gemeenschap deze eerste resultaten valideert.
Toekomstige Upgrades en Wereldwijde Neutrino‑Experimenten
Upgrade om Antineutrino’s te Detecteren
JUNO’s eerste taak is de mensheid voor het eerst de werkelijke neutrino‑massahiërarchie te laten kennen. Dit is al tientallen jaren een ontbrekend puzzelstuk om subatomaire deeltjes te begrijpen, en de basis van het universum als geheel.
Gewapend met niet alleen een antwoord, maar veel preciezere metingen dan ooit tevoren, zullen fysici de neutrino‑massa’s kunnen gebruiken om verder te gaan in andere gebieden van sub‑atomaire en kwantumfysica.
Later zou de hoge gevoeligheid van JUNO het mogelijk moeten maken de faciliteit te upgraden om de andere grote vraag over neutrino’s op te lossen: zijn neutrino’s hun eigen antideeltje?
De meeste deeltjes hebben een antideeltje, met tegenovergestelde kenmerken zoals hun elektrische lading (en misschien massa). Maar aangezien neutrino’s neutraal en licht van massa zijn, is het niet duidelijk wat precies de kenmerken van antineutrino’s zijn.
Door uiteindelijk de detectie en meting mogelijk te maken van een reactie die neutrinovrije dubbel‑bèta‑verval wordt genoemd, een nog theoretisch radioactief vervalproces, zou het kunnen bewijzen dat neutrino’s hun eigen antideeltjes zijn, ook wel een Majorana‑type deeltje of Majorana‑fermion genoemd.
Hyper-Kamiokand, DUNE, & Anderen
Hyper‑Kamiokand, of Hyper‑K, is de opvolger van Super‑Kamiokand, die in 1998 het eerste sterke bewijs vond van de oscillatie van neutrino’s tussen typen. Super‑Kamiokande was ook cruciaal in het bewijzen dat neutrino’s massa hebben.
In tegenstelling tot DUNE of JUNO, die een geheel nieuw ontwerp van een neutrino‑experiment willen bouwen, is Hyper‑K meer een upgrade van bestaande technologie. Dit zal waarschijnlijk helpen sneller vooruitgang te boeken, met de start van de operatie al in 2027, rond dezelfde tijd als de Amerikaanse DUNE.
Dit zou kunnen helpen een ruwe schatting te maken van de onevenwichtigheid tussen neutrino’s en antineutrino’s.
DUNE, Hyper‑K en JUNO zijn de neutrino‑projecten die al in aanbouw zijn. Andere bevinden zich nog in de conceptfase maar kunnen een verder begrip van de deeltjesfysica ontsluiten.
Een van hen is Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), een Europees project. Het zal proberen het geladen lepton te detecteren dat elke keer wordt gecreëerd wanneer een neutrino wordt geproduceerd. Dit kan ons begrip van de onevenwichtigheid tussen materie en antimaterie verder vergroten.
Een andere is NuTag, dat een nieuwe experimentele techniek gebruikt: neutrino‑tagging. Dit zou een nieuw type neutrino‑straallijn gebruiken. Dit ontwerp werd al in 1979 voorgesteld, maar pas recent zijn siliciumdetectoren in staat om directe blootstelling aan een hadron‑bronstraal te overleven, waardoor het mogelijk is om het te bouwen.
Conclusie
JUNO zal waarschijnlijk een zeer belangrijk wetenschappelijk experiment worden om eindelijk vragen over de fysica op te lossen die al decennialang onbeantwoord zijn, en die de ontwikkeling van verdere vooruitgang in de theoretische fysica hebben geblokkeerd.
Hoewel dit misschien wat ver van onze dagelijkse zorgen lijkt, hebben veel van onze geavanceerde technologieën eigenlijk een beter begrip van neutrino’s nodig om vooruitgang te boeken.
Bijvoorbeeld, een quantum‑computing chip (Majorana‑1) die recentelijk door Microsoft (MSFT ) is gebouwd, heeft letterlijk een nieuwe materietoestand (topoconductors) gecreëerd met behulp van een Majorana‑deeltje, het type deeltje dat JUNO mogelijk beter kan helpen begrijpen.
Investeren in Neutrino & Majorana‑Deeltjes Innovators
Microsoft
MSFT Prijsgrafiek
Microsoft is een van ‘s werelds grootste technologiebedrijven, met een quasi‑monopolie op besturingssystemen en een zeer sterke positie in B2B‑software, via haar Office365‑software, Azure‑cloudcomputingsystemen, LinkedIn‑sociale media, evenals een sterke aanwezigheid in videogames (Xbox en vele van ‘s werelds grootste videogame‑studio’s), advertenties en programmeertools (GitHub).
Het bedrijf is ook zeer actief op het gebied van AI, met name door de inzet van haar Copilot AI in al haar producten. De AI‑inspanningen van Microsoft begonnen aanvankelijk via een samenwerking met OpenAI, en nu werkt het grotendeels zelfstandig.
Bron: Microsoft
Microsoft is ook actief in quantum computing, met de verbluffende aankondiging van haar Majorana‑1 chip. Wanneer ze tot bijna het absolute nulpunt worden gekoeld en afgestemd met magnetische velden, vormen deze apparaten topologische supergeleidend nanodraadjes, met zogenoemde Majorana Zero Modes (MZMs) aan de uiteinden van de draden.
Bron: Microsoft
(Je kunt meer lezen over alle bedrijfsactiviteiten en kansen van Microsoft in ons speciale investeringsrapport over het bedrijf.)
Neutrino Energy
Hoewel rijk aan potentiële toekomstige toepassingen, lijkt de neutrino‑wetenschap ver verwijderd van regulier commercieel gebruik. Dit zou kunnen veranderen, volgens een zeer ambitieus Duits privé‑startup, Neutrino Energy.
Het bedrijf onderzoekt het zeer nieuwe concept van neutrinovoltaics, of de opwekking van elektriciteit uit de constante flux van neutrino’s om ons heen. Hoe dit werkt, is door een laag grafeen te gebruiken, een 2D‑materiaal gemaakt van koolstof (volg de link voor een volledige uitleg van 2D‑materialen zoals grafeen of goldene).
Deze methode beoogt de constante beweging van grafeen‑atomen, beïnvloed door omringende straling en deeltjes zoals neutrino’s, om te zetten in bruikbare elektriciteit. Hoewel veelbelovend in theorie, is het proces nog on bewezen en blijft het sterk experimenteel. Een soortgelijk fenomeen treedt op bij grafeen, waarbij neutrino’s de atoomkernen “duwen”, zoals bij argonatomen in de DUNE‑neutrino‑detector.
Het bedrijf heeft haar aankomende eerste prototype aangekondigd, genaamd de Powercube, die de met AI ontwikkelde technologie moet demonstreren.
Het bedrijf werkt ook samen met het Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) in India, met als doel “een zelf‑opladen elektrische voertuig te creëren dat wordt aangedreven door neutrinovoltaic‑technologie”.
Het is moeilijk te zeggen hoe dicht het concept bij commercialisatie staat, aangezien het er nu nog alleen maar een concept lijkt te zijn met weinig informatie over het potentiële vermogen of de economische haalbaarheid. Maar dit is zeker het dichtstbijzijnde “neutrino‑bedrijf” dat momenteel op de markt is.
