Для публикации в Nature учёные проанализировали собранные данные за первые 59,1 дня чистой работы детектора, с 26 августа по 2 ноября 2025 года. За это время было поймано 2379 антинейтрино. Энергетическое разрешение детектора составило рекордные 3% при энергии 1 МэВ — лучший показатель в истории мировой физики. Это означает, что погрешность измерения энергии составляет 3% от измеряемой величины. Если бы вы взвешивали на весах арбуз массой 10 кг, то такая точность соответствует погрешности в 300 грамм, другими словами, весы показывали бы значение между 9,7 кг и 10,3 кг. Может показаться, что это довольно грубо. Для взвешивания товара в магазине — да, но для сложнейших измерений такой неуловимой частицы, как нейтрино, — феноменальный результат. Точность измерения ключевых параметров нейтринных осцилляций стала в 1,6 раза лучше по сравнению со всеми накопленными в мире данными за прошлые десятилетия.
Эксперимент JUNO спроектирован в первую очередь для высокоточного исследования квантового эффекта нейтринных осцилляций (превращения нейтрино из одного типа в другой в полёте). Здесь содержится одна из главных нерешённых загадок современной физики: проблема иерархии масс нейтрино.
Всё дело в том, что по основной теории микромира Стандартной модели у нейтрино вообще не должно быть массы покоя, как у фотонов. Однако физики выяснили, что нейтрино бывают трёх «ароматов», или видов, — электронное, мюонное, тау — и умеют на лету осциллировать, то есть превращаться друг в друга. Сам факт осцилляций доказывает, что масса у нейтрино есть, хотя и ничтожно мала. За открытие этого явления Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию по физике 2015 года***.
Исследователи установили, что у нейтрино есть три массовых состояния, и нашли разницу в массе между ними, но до сих пор не могут понять, какое из них самое тяжёлое, а какое — самое лёгкое. Два значения m1 и m2 очень близки друг к другу, а третье m3 — сильно отличается. Главный вопрос: третье состояние намного тяжелее двух первых (прямая или нормальная иерархия) или намного легче (обратная иерархия)? Если m3 самое тяжёлое, то нейтрино ведут себя так же, как и остальные известные нам фундаментальные частицы, например кварки и лептоны, где третье поколение всегда массивнее первого и второго. Если же m3 самое лёгкое, то нейтрино устроены принципиально иначе, чем вся остальная материя.
Разгадка иерархии масс — это не просто наведение порядка в таблице. Она может дать ответы на некоторые важнейшие нерешённые вопросы физики и космологии. Перечислим их.
■ Куда исчезла антиматерия? В силу симметрии в момент Большого взрыва вещества и антивещества должно было родиться поровну, тогда они бы аннигилировали и Вселенная состояла бы только из фотонов. Понимание структуры масс нейтрино, возможно, объяснит нарушение симметрии между материей и антиматерией, благодаря которому существуют галактики, звёзды и мы сами.
■ Какова полная масса Вселенной? Нейтрино — самые многочисленные частицы космоса с ненулевой массой. Определив иерархию, космологи смогут точно рассчитать суммарный вес всех нейтрино во Вселенной, что напрямую влияет на модели её эволюции и распределения галактик.
■ Какова природа самой массы? Если подтвердится обратная иерархия, физикам придётся признать, что за массу нейтрино отвечает не знаменитый бозон Хиггса, а совершенно другой, ещё не открытый физический механизм, например гипотетический механизм seesaw — качелей.
Кроме того, возможно, удастся найти явления, выходящие за рамки Стандарт-ной модели, которые называют Новой физикой.
К сожалению, мы не можем просто взвесить нейтрино, которое практически не взаимодействует с веществом. Измерить абсолютную массу нейтрино напрямую современными приборами невозможно — они слишком лёгкие (минимум в миллион раз легче электрона). Всё, что мы умеем делать с помощью таких детекторов, как JUNO, — это наблюдать за осцилляциями (тем, как нейтрино превращаются из одного типа в другой на лету). Осцилляции зависят от разности квадратов масс (∆m2). Это позволяет вычислить абсолютную величину различия между массами, но его знак пока остаётся неизвестным.
Детектор JUNO построен на юге Китая в провинции Гуандун и спрятан в огромной пещере под 700 метрами гранитных скал, чтобы почти полностью отсечь фоновое космическое излучение. Сердце установки — акриловый шар диаметром 35,4 метра, заполненный 20 000 т жидкого сцинтиллятора (специальной сверхчистой фосфоресцирующей жидкости). На сферу направлены свыше 43 тысяч фотоумножителей (примерно 18 тысяч больших и 25 тысяч малых). Они улавливают тончайшие вспышки света при столкновении частиц. Детектор расположен почти в 53 километрах от двух мощных китайских АЭС «Янцзян» и «Тайшань», ядерные реакторы которых генерируют колоссальный поток нужных физикам электронных антинейтрино. По пути к детектору они начинают осциллировать (превращаться в мюонные и тау-нейтрино). Дистанция в 52,5 километра выбрана неслучайно. На этом расстоянии квантовые волны разных массовых состояний нейтрино накладываются друг на друга так, что эффекты от обоих типов осцилляций (быстрых и медленных) достигают своего максимума одновременно. Если бы детектор стоял ближе или дальше, сигналы бы смазались.
Когда антинейтрино от АЭС долетает до детектора и сталкивается с протоном в жидком сцинтилляторе, происходит реакция обратного бета-распада. Рождаются две частицы: нейтрон и позитрон. Скорость позитрона зависит от энергии нейтрино. Двигаясь через сцинтиллятор, он порождает вспышку света, содержащую множество фотонов, количество которых зависит от его энергии. Нейтрон блуждает в жидкости около 200 микросекунд, пока не потеряет энергию. Это сделает возможным его захват атомом водорода (протоном). При этом рождается дейтрон и испускается гамма-квант с фиксированной энергией 2,2 МэВ, который даёт вторую вспышку света. Этот строгий двойной сигнал позволяет физикам безошибочно отличать нейтрино от любого случайного шума. Космические лучи и радиоактивный фон дают одиночные вспышки. В итоге количество рождённых фотонов с небольшими поправками пропорционально энергии прилетевшего нейтрино. Измеряя энергию этих вспышек, учёные вычисляют параметры осцилляций.
Построив график зависимости количества пойманных нейтрино от их энергии, физики видят не просто плавную кривую, а сложный волновой узор. Большая волна выглядит как плавная, широкая синусоида и соответствует медленным осцилляциям. Она зависит от разности масс близких состояний ∆m221. Мелкая квантовая «рябь» — быстрые осцилляции. Это высокочастотные колебания, наложенные поверх большой волны. Они зависят от взаимодействия с далёким третьим состоянием ∆m231. Точнее говорить, что там происходит квантовая интерференция между массовыми состояниями. В этой картине и скрыт знак. Если иерархия прямая, мелкая рябь будет чуть сильнее сдвинута в сторону высоких энергий. Если иерархия обратная, эта рябь зеркально сдвинется в сторону низких энергий.
Сдвиг этой ряби на графике ничтожно мал. Чтобы его заметить, физикам и потребовалось беспрецедентное энергетическое разрешение в 3%. Предыдущие детекторы имели 5—7%, что делало задачу невыполнимой. В этом случае тонкая квантовая рябь на графиках просто сливалась бы в одну сглаженную линию. Для получения нужной точности пришлось годами очищать жидкий сцинтиллятор. В нём не должно быть посторонних примесей (даже на уровне нескольких атомов на тонну), иначе свет начнёт поглощаться внутри самой сферы. Прозрачность жидкости довели до абсолюта: рождённый в центре сферы фотон должен гарантированно долететь до её края (около 18 метров) и не угаснуть, чтобы размещённые там фотоумножители зафиксировали истинную энергию нейтрино. Измеряя частоту, фазу и форму этой тонкой энергетической ряби на протяжении нескольких лет, JUNO математически точно определит, куда именно она сдвинута, и сумеет закрыть вопрос о знаке иерархии масс.
Квантовый эффект нейтринных осцилляций определяется также углами смешивания частиц. Это математическое понятие, которое на самом деле описывает очень простую вещь: в каких пропорциях разные типы частиц «замешаны в смеси».
Почему это называется углом, легко понять из аналогии с обычным компасом. Угол 0° на нём — это чистый север, а 90° — чистый восток. Если же угол 45°, то в этом направлении (северо-восток) — «пополам» севера и востока. Таким образом, угол на компасе в этой четверти показывает, сколько в этом направлении «северности», а сколько «восточности». Точно так же угол смешивания частиц θ12 показывает, сколько в конкретном нейтрино массы от состояния m1, а сколько от m2, и определяет, как часто и как сильно нейтрино будут превращаться (осциллировать) друг в друга на своём пути. В эксперименте JUNO физики как раз уточняли угол θ12.
Публикация в Nature показала мировому сообществу, что сложнейшая инженерная конструкция JUNO полностью вышла на проектную мощность и работает без сбоев с беспрецедентной точностью. Разумеется, набранной за 59 дней статистики пока недостаточно для решения поставленных задач, но есть надежда, что при накоплении данных за несколько лет JUNO сможет с ними разобраться. Опередив строящиеся конкурирующие мегапроекты США (DUNE) и Японии (Hyper-Kamiokande).
Комментарии к статье
* Десять значимых событий 2025 года в физике и астрономии. «Наука и жизнь» № 1, 2026 г.
** The JUNO Collaboration. Measurement of reactor neutrino oscillation with the first JUNO data. Nature 654, 343—348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10538-z.
*** См. статью: А. Понятов. Оборотни микромира. «Наука и жизнь» № 11, 2015 г.
