JUNO-observatoriet: Avslöjar neutrinerna masshemligheter

Få en glimt av den mest undflyende partikeln

Fundamental fysik har alltid förlitat sig på en blandning av teori och experiment för att utveckla vår förståelse av universum.

Än idag är en av de svåraste frågorna att besvara den grundläggande naturen av gravitation och de krafter som styr universum. Det har länge varit känt att svaret sannolikt finns i en undflyende och nästan omöjlig att studera partikel: neutrino.

En djupare förståelse av neutrinerna kan snart uppnås tack vare ett kinesiskt megaprojekt: JUNO, eller Jiangmen Underground Neutrino Observatory.

Detta är en massiv anläggning, med omfattande internationellt samarbete och år av planering.

Den bör komplettera resultaten från Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), en amerikansk neutrindetektor som mäter neutriner genom 800 mil av jordens inre (följ länken för en fullständig förklaring av detta megaprojekt).

Källa: DUNE

Vad är neutriner?

Neutriner är elektriskt neutrala partiklar med en extremt liten massa, så liten att den länge ansågs vara noll.

För närvarande vet vi inte varför neutriner har massa, förutom att det verkar fungera på ett annat sätt än för andra partiklar.

Det som gör neutriner unika är att de i princip är ”spök”-partiklar, som knappt interagerar med annan materia. Detta beror på att neutriner bara interagerar med 2 av de 4 grundläggande krafterna i universum: gravitation och svag interaktion.

Eftersom den svaga interaktionen har en mycket kort räckvidd, och gravitation knappt påverkar de lågmassa neutrinerna, passerar neutriner vanligtvis genom materia utan att interagera eller bromsas. Som ett resultat färdas neutriner nästan med ljusets hastighet.

Neutriner är fundamentala partiklar som inte kan delas i mindre komponenter och finns i 3 varianter: elektronneutriner, myonneutriner och tauneutriner. För att göra saken ännu mer komplicerad verkar neutriner regelbundet skifta mellan dessa 3 varianter.

Övergången mellan alla 3 varianter av neutriner är kopplad till massan för varje neutrintyp och innehåller svar om den grundläggande naturen av materia och universum självt.

Oscillationsexperiment med solneutriner, med atmosfäriska neutriner – samt med neutriner från kärnreaktorer och acceleratorer – har gett den första bevisningen för fysik bortom standardmodellen för partikelfysik. 

Det är också möjligt att en 4^th typ av neutrino existerar också, sterila neutriner, som bara skulle interagera med materia genom gravitation, vilket gör dem ännu svårare att upptäcka än de andra.

De flesta neutriner produceras av kärnreaktioner, från kärnfusioner i stjärnor till radioaktivt sönderfall i jordens kärna. Och i konstgjorda kärnreaktorer, en viktig fakta för JUNOs design.

Trots deras undflyende natur anses neutriner vara den mest abundanta partikeln i universum. Ungefär tusen biljoner neutriner passerar genom våra kroppar varje sekund.

(Du kan lära dig mer om neutriner på den dedikerade webbplatsen “all things neutrinos” skapad av Fermilab.)

 JUNOs mål – Att reda ut neutrinhierarkin

JUNO är byggt specifikt för att besvara frågan om ”neutrins masshierarki”, frågan om vilken neutrintyp som har vilken vikt.

Källa: Berkeley Lab

Detta är fortfarande oklart, trots att neutrinerna har mätts i massa, eftersom det som faktiskt mäts är ”kvadraten av massan” för partiklarna. Som ett resultat tillåter matematiken två olika möjliga lösningar på de observerade resultaten, den normala eller inverterade hierarkin.

“Vi hoppas lära oss hur leptoner” — elektroner och deras släktingar — uppstod i ögonblicken efter Big Bang, en process som kan förklara varför det finns mer materia än antimateria i universum.

Att besvara sådana grundläggande frågor kommer bara att vara möjligt om värdet på en term som kallas ”neutrino‑blandningsvinkel theta ett tre”, skriven θ₁₃, visar sig vara större än noll.

Kam-Biu Luk – professor i fysik vid UC Berkeley.

Swipe to scroll →

JUNOs design

Arvtagaren till Daya Bay reaktor‑neutrinoexperimentet

JUNOs uppföljningsarbete utfördes vid Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, som då genomfördes i samarbete med US Department of Energy, under en tid då vetenskapligt samarbete med Kina var mindre omstritt.

Källa: Wikipedia

Efter den Nobelpris‑vinnande upptäckten omkring 2000 av oscillationsfenomenet för atmosfäriska och solneutriner, upptäckte Daya Bay‑anläggningarna ett nytt sätt för neutrino‑oscillation för första gången 2012, genom att exakt mäta den tidigare nämnda theta‑13‑vinkeln, precis vad den var designad för.

Detta upptäckt fullbordade den teoretiska ramen för neutrino‑oscillation. Det gav också vägledning för nästa generations experiment i att bestämma massordningen för neutriner.

Att välja rätt plats

Daya Bay‑detektorn konstruerades för att upptäcka neutrinerna som produceras av Daya Bay‑kärnkraftverk och Ling Ao‑kärnkraftverk.

Källa: ResearchGate

Ursprungligen skulle JUNO byggas på en närliggande plats. Men byggandet av en tredje kärnreaktor (Lufeng Nuclear Power Plant) skulle ha stört experimentet, eftersom det är beroende av att hålla ett fast avstånd till närliggande kärnkraftverk.

Istället byggdes den på en plats 53 km (33 miles) från både Yangjiang‑ och Taishan‑kärnkraftverk.

Källa: ResearchGate

Anledningen till att avståndet till kärnkraftverken är viktigt är att neutriner interagerar mycket lite med materia, men de gör det ändå.

Och interaktionen med elektronerna i jordens atomer, över tillräckligt många kilometer av berg, påverkar oscillationen mellan neutrintyperna.

Det längre avståndet, jämfört med Daya Bay‑anläggningens 2 km, möjliggör större känslighet och förmåga att upptäcka neutrino‑oscillation.

Det kräver dock också en mycket förbättrad skärmning och en mycket större detektor för att ett tillräckligt antal reaktorneutriner ska kunna fångas.

Hela anläggningen är begravd 700 meter djupt under ett berg för att minska händelsefrekvensen av kosmiska strålar som skulle störa detekteringen av de närmare kärnkraftverken.

Källa: Global Times

Detta designval minskade effekten av kosmiska strålar, som annars skulle ha grumlat signalen från neutriner med nästan 100 000‑gånger.

Föreslaget 2008 och godkänt av Kinesiska akademin för vetenskaper och Guangdongprovinsen 2013, påbörjade JUNO den underjordiska konstruktionen 2015.

Detektorinstitutionen startade i december 2021 och slutfördes i december 2024.

JUNO har ett försprång som förstahandsval och har en unik experimentell design ur ett fysikperspektiv.

Som ett internationellt samarbetsprojekt lett av Kina kommer JUNO ytterligare stärka Kinas ledande position inom detta område.

Global Times

En gigantisk scintillerande pool

Huvudstrukturen i JUNO liknar en vattenmelon nedsänkt i vatten, med hela sfären som bildar världens mest precisa och största neutrindetektor.

För att kunna upptäcka interaktionen mellan vanlig materia och neutriner används en scintillerande vätska. När ett neutrino träffar den omvandlas energin till ljus.

Källa: The European Physics Journal

Detta ljus fångas och förstärks sedan av fotomultiplikatorrör (PMT) på 20 tum och fotomultiplikatorrör på tre tum, samt kablar, magnetiska skärmspolar, ljusavskärmningar och andra komponenter.

Den centrala vätskescintillatordetektorn i hjärtat av JUNO har en effektiv massa på 20 000 ton och är placerad i centrum av en 44 meter djup vattenpool.

Källa: Global Times

En 41,1 meter i diameter av rostfritt stålskelett stödjer den 35,4 meter akryliska sfären, scintillatorn, 20 000 PMT på 20 tum, 25 600 PMT på 3 tum, front‑elektronik, kablage, antimagnetiska kompensationsspolar och optiska paneler.

Alla PMT arbetar samtidigt för att fånga scintilleringsljuset från neutrino‑interaktioner och omvandla det till elektriska signaler.

Källa: ResearchGate

Massiva volymer

Sedan december 2024 har poolen som omger systemet fyllts med ultrarenat vatten med en hastighet av 100 ton per timme.

Inom 45 dagar fyllde teamet 60 000 ton ultrarenat vatten, höll vätskenivåskillnaden mellan den inre och yttre akryliska sfären inom centimeter och bibehöll en flödesosäkerhet under 0,5 %, vilket skyddade strukturell integritet.

Källa: IIHE

Denna nivå av precision och noggrant underhåll kommer att möjliggöra att neutrindetektionen blir jämförbar, även om flera år kan gå mellan varje händelse.

Överlag förväntas hela anläggningen fungera i mer än 30 år.

“Det krävde inte bara nya idéer och teknologier, utan också år av noggrann planering, testning och uthållighet. Att uppfylla de strikta kraven på renhet, stabilitet och säkerhet krävde engagemang från hundratals ingenjörer och tekniker.”

Prof. MA Xiaoyan, JUNO:s chefsingenjör

Poolen skyddar detektorn från störningar av de sällsynta kosmiska strålarna, som producerar en signal liknande neutrindetektion som lyckas tränga igenom berget ovanför, samt naturlig radioaktivitet från den omgivande berget.

Vätskeinjiceringen kommer att ske i två steg. Under de första två månaderna fylls de inre och yttre utrymmena i den akryliska sfären med ultrarenat vatten.

Under de följande sex månaderna ersätts det ultrarenade vattnet i sfären med en vätskescintillator.

Global Times

 JUNO har framgångsrikt slutfört fyllningen av sin 20 000‑tons vätskescintillatordetektor och påbörjat datainsamling den 26 augusti^th, 2025.

Ett internationellt samarbete

JUNO byggs av ett stort internationellt team med mer än 700 medlemmar från 17 länder och regioner. Även USA är representerat i samarbetet, genom University of California (7 personer) och University of Maryland (2 personer), med de flesta andra internationella partnerna från europeiska länder.

Data som genereras kommer också att behandlas genom internationella forskningsresurser, med deltagande av Chinese Institute of High Energy Physics, det italienska Istituto Nazionale di Fisica Nucleare CNAF, det ryska Joint Institute for Nuclear Research och det franska Centre de Calcul de l’IN2P3.

Första resultat

Den 24 augusti^th upptäcktes den första neutrinkollisionen med den scintillerande vätskan, vilket visar att anläggningen nu är redo att producera vetenskapliga data.

Källa: EyesOnSci

Dessa initiala datapunkter indikerar att JUNO, om något, presterar ännu bättre än förväntat när det gäller känslighet och mätnoggrannhet.

Men det kommer fortfarande att ta några veckor eller månader innan den första konkreta mätningen av neutrinerna massa kan bekräftas, och längre tid innan den vetenskapliga gemenskapen validerar dessa initiala resultat.

Framtida uppgraderingar och globala neutrinoexperiment

Uppgradering för att upptäcka antineutrino

JUNOs första uppgift är att låta mänskligheten för första gången känna till den faktiska neutrinhierarkin. Detta har i årtionden varit en saknad pusselbit för att förstå subatomära partiklar och universums grundläggande struktur.

Beväpnade med inte bara ett svar, utan mycket mer precisa mätningar än någonsin tidigare, kommer fysiker kunna använda neutrinos massor för att driva vidare inom andra områden av subatomär och kvantfysik.

Senare bör JUNOs höga känslighet göra det möjligt att uppgradera anläggningen för att lösa den andra stora frågan om neutriner: är neutriner sina egna antipartiklar?

De flesta partiklar har en antipartikel, med omvända egenskaper som deras elektriska laddning (och kanske massa). Men eftersom neutriner är neutrala och har låg massa är det oklart exakt vilka egenskaper antineutriner har.

Genom att så småningom möjliggöra detektering och mätning av en reaktion kallad neutrino‑lös dubbel‑beta‑sönderfall, som fortfarande är en teoretisk radioaktiv sönderfallsprocess, kan man bevisa att neutrino‑partikeln är sin egen antipartikel, även kallad en Majorana‑typ partikel eller Majorana‑fermion.

Hyper‑Kamiokande, DUNE och andra

Hyper‑Kamiokande, eller Hyper‑K, är eftertraktaren till Super‑Kamiokande, som 1998 fann den första starka bevisningen för neutrino‑oscillation mellan neutrintyper. Super‑Kamiokande var också avgörande för att bevisa att neutriner har massa.

Till skillnad från DUNE eller JUNO, som bygger helt nya neutrino‑experiment, är Hyper‑K mer en uppgradering av befintlig teknik. Detta kan sannolikt hjälpa den att utvecklas snabbare, med driftsstart så tidigt som 2027, ungefär samtidigt som det amerikanska DUNE.

Detta kan hjälpa den att göra en grov uppskattning av obalansen mellan neutriner och antineutriner.

DUNE, Hyper‑K och JUNO är de neutrino‑projekt som redan är under konstruktion. Andra är fortfarande i konceptstadiet men kan låsa upp ytterligare förståelse av partikel­fysik.

En av dem är Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), ett europeiskt projekt. Det kommer att försöka upptäcka den laddade lepton som skapas varje gång ett neutrino produceras. Detta kan fördjupa vår förståelse av obalansen mellan materia och antimateria.

En annan är NuTag, som använder en ny experimentell teknik: neutrino‑taggning. Detta skulle använda en ny typ av neutrino‑strålningslinje. Detta är en design som redan föreslogs 1979, men först nyligen har kisel‑detektorer kunnat överleva direkt exponering för en hadronkälla, vilket gjort det möjligt att bygga.

Slutsats

JUNO kommer sannolikt att bli ett mycket viktigt vetenskapligt experiment för att slutligen lösa frågor inom fysiken som har varit obesvarade i årtionden och som har hindrat utvecklingen av vidare framsteg i teoretisk fysik.

Även om detta kan låta lite avlägset från våra dagliga bekymmer, behöver många av våra banbrytande teknologier faktiskt en bättre förståelse av neutriner för att kunna utvecklas.

Till exempel, ett kvantdatorchip (Majorana-1) byggt nyligen av Microsoft (MSFT ) bokstavligen skapade ett nytt tillstånd av materia (topokonduktorer) med hjälp av en Majorana‑partikel, den typ av partikel som JUNO kan hjälpa att förstå bättre.

Så avancerade internationella vetenskapsprojekt som JUNO finns för att etablera byggstenarna som senare omvandlas till banbrytande innovationer.

Investera i neutrino- och Majorana‑partikelinnovatörer

Microsoft

Microsoft är ett av världens största teknikföretag, med ett kvasi‑monopol på operativsystem och en mycket stark position inom B2B‑programvara, genom sin Office365‑programvara, Azure‑molntjänster, LinkedIn‑sociala medier, samt en stark närvaro inom videospel (Xbox och många av världens största spelstudior), annonser och programmeringsverktyg (GitHub).

Företaget är också mycket aktivt inom AI, särskilt med utrullningen av sin Copilot‑AI i alla sina produkter. Microsofts AI‑insatser började med ett samarbete med OpenAI, och är nu mer självständiga.

Källa: Microsoft

Microsoft är också aktivt inom kvantdatorer, med det häpnadsväckande tillkännagivandet av sitt Majorana‑1‑chip. När de kyls ner till nära absolut nollgrad och justeras med magnetfält, bildar dessa enheter topologiska supraledande nanotrådar, som innehåller så kallade Majorana‑Zero‑Modes (MZMs) i trådens ändar.

Källa: Microsoft

(Du kan läsa mer om alla affärsaktiviteter och möjligheter för Microsoft i vår dedikerade investeringsrapport om företaget.)

Neutrino Energy

Trots stora potentiella framtida tillämpningar verkar neutrinforskning fortfarande vara långt från att regelbundet användas i kommersiella tillämpningar. Detta kan förändras, enligt en mycket ambitiös tysk privat startup, Neutrino Energy.

Företaget utforskar det mycket nya konceptet neutrinovoltaics, eller generering av elektricitet från den ständiga neutrinförbrukningen omkring oss. Hur detta fungerar är genom att använda ett lager av grafen, ett 2D‑material gjort av kol (följ länken för en fullständig förklaring av 2D‑material som grafen eller guld‑liknande).

Denna metod syftar till att omvandla den ständiga rörelsen hos grafen‑atomer, påverkade av omgivande strålning och partiklar som neutriner, till användbar elektricitet. Även om den är lovande i teorin är processen fortfarande oprövad och förblir starkt experimentell.. Ett liknande fenomen sker i grafen, där neutriner ”trycker” på atomkärnorna, som med argon‑atomer i DUNE‑neutrindetektorn.

Företaget har annonserat sin kommande första prototyp, kallad Powercube, som ska demonstrera den teknik som utvecklats med hjälp av AI.

Företaget har också samarbetat med Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) i Indien, med målet att ”skapa ett självladdande elfordon drivet av neutrinovoltaisk teknik”.

Det är svårt att säga hur nära någon kommersialisering konceptet är, eftersom det för närvarande bara är ett koncept med lite information om potentiell effekt eller ekonomi. Men detta är definitivt det närmaste ett ”neutrinföretag” som finns på marknaden idag.