Геонейтрино помогут ответить на фундаментальные вопросы о строении и составе Земли

В мире строят два детектора, способных регистрировать геонейтрино — частицы, порождаемые радиоактивным распадом в недрах Земли. Это поможет понять механизм образования глубинного тепла, а в будущем — предсказывать природные катаклизмы. Возможно, "земные нейтрино" прояснят и вопрос о том, как именно сформировалась наша планета.

Антинейтрино призвали к ответу

Нейтрино и антинейтрино — элементарные частицы, долгое время считавшиеся неуловимыми. Они образуются в процессе бета-распада, одном из видов ядерного расщепления. На Земле их производят ядерные реакторы.

Природные нейтрино поступают от Солнца — как результат самоподдерживающихся термоядерных реакций. Они рождаются в атмосфере под действием космических лучей. В пространстве носятся реликтовые нейтрино, возникшие в первые мгновения Большого взрыва. И, наконец, источником нейтрино служат радиоактивные изотопы, рассеянные в недрах планеты.

Идея использовать антинейтрино для проверки геологических гипотез возникла у физиков в 1960-х годах. Зарегистрировали же их впервые только в 2005 году на подземном детекторе KamLAND (Япония) как побочный результат исследования солнечных нейтрино. В 2010 году существование частиц надежно подтвердилось в ходе эксперимента Borexino в Италии.

Земные антинейтрино помогут раскрыть фундаментальные загадки науки: сколько радиоактивных элементов в недрах планеты и где они локализованы, как много тепла они генерируют, какие модели строения и состава Земли более соответствуют наблюдениям.

Однако сделать это не так просто: материя, по большому счету, прозрачна для нейтрино (что отражено в названии частицы). Частицы не участвуют в электромагнитных и сильных взаимодействиях, гравитацию почти не чувствуют, откликаются только на слабые силы, действующие на масштабах меньше диаметра протона. Нейтрино может лететь в космосе десятки световых лет, пронзая звезды, облака газа, планеты, ни разу не столкнувшись ни с одной другой частицей.

За все время на Borexino и KamLAND зарегистрировали сигналы примерно от 190 геонейтрино — продуктов распада урана-238 и тория-232. С одной стороны, это доказательство, что прямое наблюдение за потоком земных нейтрино возможно, а предварительные данные находятся в согласии с общепринятыми геологическими моделями; с другой — этой статистики недостаточно для однозначных научных выводов. Ее сбор в действующих экспериментах займет сотни лет.

При бета-распаде нейтрон в атомном ядре превращается в протон. Это сопровождается испусканием электрона и антинейтрино. Энергия электрона переходит в тепловую, а антинейтрино, не взаимодействуя ни с чем, уносится в космос

Гигантские детекторы на службе геофизиков

Детекторы Borexino и KamLAND — это огромные емкости, наполненные жидкими углеводородами, выполняющими роль сцинтиллятора. При взаимодействии с нейтрино они испускают фотоны, которые регистрируют фотоумножители. Установки размещают в шахтах глубоко под землей, чтобы снизить воздействие космических лучей.

Строящиеся детекторы будут работать на тех же принципах, что и нынешние. Чтобы регистрировать больше событий, массу сцинтиллятора значительно увеличат, саму жидкость очистят от радиоактивных примесей (углерод-14, радон), создающих шум. Кроме того, важно расположить детекторы как можно дальше от действующих ядерных реакторов.

Одна из установок, SNO+, строится в Садберийской нейтринной обсерватории в Канаде. Ее уже начали наполнять жидким сцинтиллятором. Крупнейший в мире 20-килотонный детектор, предназначенный в том числе для изучения земных нейтрино, — JUNO — строят на юге Китая. Он начнет собирать статистику к 2021 году.

Обсуждается создание большого сцинтилляционного детектора с массой мишени десять килотонн в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН на Северном Кавказе.

Как пишут авторы проекта, "географические особенности расположения обсерватории позволяют существенно подавить фон, связанный с потоками антинейтрино от работающих реакторов АЭС, и зарегистрировать потоки антинейтрино, несущие информацию о строении земной коры в данном регионе".

Нейтринный детектор SNO+ в Канаде

Что подогревает недра планеты

За естественную радиоактивность Земли отвечают 34 долгоживущих изотопа, наибольший вклад вносят всего три: уран-238, торий-232 и калий-40. Согласно общепринятой модели Земли — силикатной (Bulk Silicate Earth) — большая часть радионуклидов содержится в верхней оболочке Земли — литосфере, примерно в два раза меньше их рассеяно в мантии, в ядре практически нет.

Такое распределение радионуклидов стало следствием формирования планеты. Сразу после рождения из плотного газопылевого облака Земля представляла собой расплавленный шар. Этому способствовали два условия: очень высокое содержание радионуклидов (в частности, тогда было в два раза больше урана-238, период его полураспада равен времени существования Земли — 4,5 миллиарда лет) и интенсивная бомбардировка метеоритами.

По мере остывания вещество планеты стало расслаиваться. Железо и никель опустились внутрь, образовав ядро, сверху скопился силикатный расплав, вобравший в себя литофильные элементы, в том числе калий, торий, уран.

При бета-распаде энергия, которую несут электроны, преобразуется в тепловую, а антинейтрино уносят свою часть энергии в космическое пространство. Если знать их параметры, можно вычислить концентрацию родительских радионуклидов в коре и мантии и уточнить, сколько тепла они генерируют.

Источники внутреннего тепла планеты. Общепринятая модель Земли утверждает, что радионуклиды рассеяны в земной коре и мантии и отсутствуют в ядре

Нынешние оценки суммарного теплового потока Земли и доли каждого из источников сильно разнятся в зависимости от метода подсчета. В среднем вклад радиогенного тепла — примерно 20 процентов. Остальное приходится на вековое охлаждение мантии (которая изначально была расплавлена и с тех пор остывает) и тепло ядра планеты.

Благодаря внутренним источникам тепла происходит перемешивание (конвекция) мантии, образуются плюмы и, как следствие, проявляется тектоническая активность на поверхности планеты: движение плит земной коры, образование крупных разломов и горных систем, землетрясения и вулканизм.

Еще одна фундаментальная задача — установить соотношение изотопов тория и урана. Анализ хондритовых метеоритов и сопоставление проб, взятых в земной коре, позволили вычислить, что тория-232 в 3,9 раза больше, чем урана-238. Чтобы понять раннюю эволюцию Земли, нужна точная оценка, которую можно получить, изучая геонейтрино.

Однако предварительно рассчитанная масса тория и урана в коре и мантии не объясняет всего радиогенного потока тепла. В связи с этим в 1990-х появилась гипотеза, что на начальном этапе формирования Земли часть радионуклидов вошла в состав ядра. Этот природный геореактор служит источником энергии для мантийных плюмов и магнитного поля планеты. Проверить это предположение поможет детектор JUNO.

Куда делся калий-40

В расчетах теплового потока планеты обычно не учитывают вклад от распада калия-40. Считается, что его на порядок меньше, чем урана-238 и тория-232, и он весь сосредоточен в земной коре. Однако эти допущения могут оказаться ошибочными, считают ученые ИЯИ РАН и ИНЭОС РАН.

Они используют альтернативную, отвергаемую научным сообществом модель изначально гидридной Земли, основанную на том, что на состав планет влияет их удаленность от Солнца. Принципиальное отличие этой модели от общепринятой в том, что она допускает содержание радионуклидов в ядре, а масса калия-40 на два порядка превышает массы урана и тория. За счет этого суммарный тепловой поток получается огромным — порядка 304 тераватт против 47 тераватт, вычисленных по замерам в сверхглубоких скважинах.

Разрешить этот парадокс и проверить модель изначально гидридной Земли, по мнению авторов статьи, могут наблюдения за геонейтрино. Причем критически важно выделить сигнал от распада калия-40. Однако пока существующие технологии не позволяют этого сделать.