Das unterirdische Neutrinoobservatorium „Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)“ nahe der Stadt Jiangmen in der südchinesischen Provinz Guangdong, hat die Befüllung des Neutrinodetektors mit 20.000 Tonnen Flüssigszintillator abgeschlossen und startet jetzt mit der Datennahme. Nach über zehn Jahren Bauzeit ist JUNO das erste Experiment einer neuen Generation weltweit führender Neutrino-Experimente, das nun in Betrieb gehen kann. In den vergangenen Monaten konnten erste Tests zeigen, dass die wichtigsten Leistungsmerkmale des Detektors die Designvorgaben erfüllen oder sogar übertreffen. Dies wird JUNO in die Lage versetzen, eine der gegenwärtig zentralen Fragen der Teilchenphysik zu untersuchen: die Ordnung der Neutrinomassen, und damit, ob der dritte Neutrino-Massenzustand (ν₃) schwerer ist als der zweite (ν₂).
Dazu sagt Prof. Yifang Wang, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, des Instituts für Hochenergiephysik Peking (IHEP) und Sprecher der JUNO-Kollaboration: „Der Abschluss der Füllphase des JUNO-Detektors und der Beginn der Datennahme stellen einen historischen Meilenstein dar. Zum ersten Mal ist ein Detektor dieser Größenordnung und Präzision im Einsatz, der ausschließlich Neutrinos gewidmet ist. JUNO wird uns helfen, fundamentale Fragen über die Natur der Materie und des Universums zu beantworten.“
JUNO wurde in einem eigens dafür geschaffenen unterirdischen Labor in 700 Meter Tiefe aufgebaut. Der Detektor weist Antineutrinos nach, die 53 Kilometer entfernt von den Kernkraftwerken in Taishan und Yangjiang erzeugt werden. Dabei misst JUNO deren Energiespektrum mit bisher unerreichter Präzision. Im Gegensatz zu anderen experimentellen Ansätzen ist die Methode von JUNO zur Bestimmung der Neutrino-Massenordnung unabhängig von Materieeffekten in der Erde und dem genauen Wert anderer Neutrino-Oszillationsparameter. JUNO wird zudem die Präzision mehrerer dieser Parameter um Größenordnungen verbessern. Auch ist JUNO ein äußerst sensitives Observatorium für Sonnen-, Supernova-, Atmosphären- und Geoneutrinos und wird auch für die Suche nach sterilen Neutrinos und Protonenzerfall genutzt werden.
JUNO wurde 2008 vorgeschlagen und 2013 von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Provinz Guangdong genehmigt. Der Bau des Untergrundlabors begann 2015. Die Installation des Detektors startete im Dezember 2021 und wurde im Dezember 2024 abgeschlossen. Daraufhin wurden innerhalb von 45 Tagen 60.000 Tonnen höchstreines Wasser eingefüllt, wobei die Flüssigkeitsstände innerhalb und außerhalb der zentralen Plexiglaskugel auf wenige Zentimeter genau gehalten und die Durchflussmengen mit einer Unsicherheit unter 0,5 % kontrolliert wurden, um die strukturelle Integrität des Detektors zu gewährleisten. In den folgenden sechs Monaten wurden 20.000 Tonnen Flüssigszintillator in die Plexiglaskugel gefüllt, wobei das Wasser verdrängt wurde. Dabei mussten strenge Anforderungen an Reinheit, optische Transparenz und extrem niedrige Radioaktivität für Wasser und Szintillator eingehalten werden. Parallel dazu startete die Kollaboration die Inbetriebnahme und Optimierung des Detektors, was nach Abschluss der Füllphase einen direkten Übergang zum vollen Betrieb von JUNO ermöglicht.
Das Herzstück des JUNO-Experiments ist der zentrale Flüssigszintillationsdetektor zum Nachweis der Neutrinos mit einer bislang unerreichten effektiven Masse von 20.000 Tonnen. Dieser ist eingebettet in ein 44 Meter tiefes Wasserbecken. Eine 41 Meter hohes Edelstahlgerüst umgibt den Detektor und trägt dabei die 35,4 Meter messende Plexiglaskugel, den Szintillator, 20.000 Photomultiplier-Röhren (PMTs) mit 20 Zoll (50 cm) Durchmesser, 25.600 PMTs mit 3 Zoll (7,5 cm) Durchmesser, die Front-End-Elektronik, Verkabelung und magnetische Kompensationsspulen. Alle PMTs zusammen sammeln das Szintillationslicht von Neutrino-Reaktionen und wandeln die nachgewiesenen Photonen in elektrische Signale um.
Prof. Xiaoyan Ma, Chefingenieurin von JUNO, fasst dies so zusammen: „Der Bau von JUNO war eine Reise voller außergewöhnlicher Herausforderungen. Er erforderte nicht nur neue Ideen und Technologien, sondern auch jahrelange sorgfältige Planung, Tests und Ausdauer. Die Einhaltung der strengen Anforderungen an Reinheit, Stabilität und Sicherheit verlangte das Engagement von Hunderten von Ingenieuren und Technikern. Ihr Teamgeist und ihre Integrität verwandelten ein kühnes Design in einen funktionierenden Detektor, der nun bereit ist, ein neues Fenster zur Neutrinowelt zu öffnen.“
JUNO wird vom Institut für Hoch-Energie Physik (IHEP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften betrieben und vereint über 700 Forschende aus 74 Institutionen in 17 Ländern. Aus Deutschland sind – mit Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – sechs Forschungsgruppen am Experiment beteiligt, darunter die Arbeitsgruppen von Prof. Michael Wurm und Prof. Livia Ludhova, die beide Mitglieder des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz sind. „JUNO ist das Ergebnis einer langjährigen internationalen Zusammenarbeit“, betont Prof. Livia Ludhova, die dem JUNO Executive Committee angehört. „Unsere Teams haben wichtige Bausteine zum jetzigen Erfolg beigetragen: Mit dem Vordetektor OSIRIS zur Sicherung der radioaktiven Reinheit des Szintillators während des Detektorfüllens, mit Studien zur Sensitivität und mit der Analyse der ersten Daten, die jetzt während der Inbetriebnahme genommen wurden, all dies in enger Zusammenarbeit mit den Kolleginnen und Kollegen in China. Es ist sehr befriedigend zu sehen, wie unsere gebündelte Expertise nun in einem Detektor zusammenkommt, der der weltweiten Physikgemeinschaft über Jahrzehnte dienen wird.“
JUNO ist für eine wissenschaftliche Lebensdauer von bis zu 30 Jahren ausgelegt. Perspektivisch bietet der Detektor die Möglichkeit für ein Upgrade, um eine dann weltweit führende Suche nach dem neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall durchführen zu können. Ein solches Upgrade würde die absolute Massenskala der Neutrinos erforschen und testen, ob Neutrinos Majorana-Teilchen sind – eine fundamentale Frage, die Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie verbindet.
- ) https://download.uni-mainz.de/presse/08_prisma+_JUNO_central_acrylic_sphere_and_PMTs.JPG Die zentrale Plexiglaskugel und Photomultiplier-Röhren (PMTs) Abb./©: JUNO-Kollaboration<\/li><\/ul>
- ) https://download.uni-mainz.de/presse/08_prisma+_JUNO_top_tracker_above_water_pool.JPG Top-Tracker-Detektor über dem Wasserbecken Abb./©: JUNO-Kollaboration<\/li><\/ul>
- ) https://download.uni-mainz.de/presse/08_prisma+_JUNO_neutrino_event_1.jpg Ein von JUNO detektiertes Neutrino-Event (1) Abb./©: JUNO-Kollaboration<\/li><\/ul>
- ) https://download.uni-mainz.de/presse/08_prisma+_JUNO_neutrino_event_2.jpg Ein von JUNO detektiertes Neutrino-Event (2) Abb./©: JUNO-Kollaboration<\/li><\/ul>
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- ) https://download.uni-mainz.de/presse/08_prisma+_JUNO_neutrino_event_2.jpg Ein von JUNO detektiertes Neutrino-Event (2) Abb./©: JUNO-Kollaboration<\/li><\/ul>
- ) https://download.uni-mainz.de/presse/08_prisma+_JUNO_neutrino_event_1.jpg Ein von JUNO detektiertes Neutrino-Event (1) Abb./©: JUNO-Kollaboration<\/li><\/ul>
- ) https://download.uni-mainz.de/presse/08_prisma+_JUNO_top_tracker_above_water_pool.JPG Top-Tracker-Detektor über dem Wasserbecken Abb./©: JUNO-Kollaboration<\/li><\/ul>
