Geoneutrinos
Geoneutrinos são antineutrinos que surgem no interior da Terra. Eles provêm do decaimento radioativo de urânio, tório e potássio na rocha — e são o único caminho conhecido para olhar, por assim dizer, sob a pele do planeta.
A pergunta que eles respondem
A Terra é quente por dentro. Cerca de 47 terawatts fluem continuamente pela superfície para fora — mais que o dobro do consumo mundial de energia da humanidade.
Esse calor move tudo o que torna o planeta geologicamente vivo: a tectônica de placas, o vulcanismo, o geodínamo, que gera o campo magnético e nos protege do vento solar.
De onde ele vem? Duas fontes são concebíveis. Uma parte é calor residual da formação do planeta há quatro bilhões e meio de anos. Outra parte provém de decaimento radioativo no interior.
Como isso se reparte era por muito tempo desconhecido. As perfurações alcançam apenas poucos quilômetros de profundidade — o buraco mais profundo do mundo chega a doze. As ondas sísmicas revelam densidade e estado, mas não a composição química.
Por que os neutrinos fornecem a resposta
Cada decaimento de urânio ou tório libera antineutrinos, e estes deixam a Terra sem obstáculo. Seu número é imediatamente uma medida da quantidade desses elementos no planeta — e com isso da fração radiogênica do calor terrestre.
Uma ressalva faz parte disso: o método vê apenas urânio e tório. O potássio-40 contribui consideravelmente para o calor, mas seus antineutrinos ficam abaixo do limiar de energia do decaimento beta inverso, de 1,8 megaelétron-volt, e permanecem assim invisíveis. Sua contribuição precisa continuar a ser calculada.
A detecção
O método é o mesmo que nos neutrinos de reator: o decaimento beta inverso em um grande cintilador, reconhecido pelo sinal duplo de aniquilação de pósitron e captura de nêutron.
A dificuldade está na taxa. Um detector de mil toneladas registra algumas dezenas de geoneutrinos por ano. Um reator próximo fornece a mesma quantidade em um dia.
Trata-se, portanto, de duas coisas: detectores muito limpos e um local o mais distante possível de usinas nucleares.
As duas medições
O KamLAND no Japão comunicou em 2005 o primeiro indício. O local é em si desfavorável, porque o Japão opera muitos reatores. Após o desligamento temporário deles a partir de 2011 as condições de medição melhoraram involuntariamente de modo considerável — um caso raro em que um experimento se beneficiou de um acontecimento externo à ciência.
O Borexino na Itália mediu com menos fundo e forneceu em 2020 o resultado até agora mais preciso.
O que resultou disso
As medições indicam que cerca de metade do fluxo de calor da Terra provém de decaimento radioativo. A outra metade é calor residual.
Essa é uma afirmação consistente sobre a estrutura de um planeta, obtida de partículas que voam através dele. Ela ajuda a delimitar modelos da formação da Terra — e a responder à pergunta de por quanto tempo ainda a tectônica de placas será impulsionada.
O que ainda está em aberto
A distribuição. Se urânio e tório se encontram predominantemente na crosta ou também mais fundo no manto não se pode ler apenas do número total. Um detector que pudesse determinar a direção resolveria isso — mas direção é justamente o que um cintilador não fornece.
O caminho praticável passa por medições em vários locais bem afastados entre si: um detector sobre crosta continental vê mais geoneutrinos que um no meio do oceano, porque a crosta continental é mais rica em urânio e tório. De tais diferenças pode-se inferir a distribuição.
O JUNO estabelecerá aqui novos padrões, com 20 000 toneladas de cintilador.
Termos relacionados
- Antineutrino
- Borexino e KamLAND — as medições
- Cintilador — a técnica
- Decaimento beta — a fonte
Fontes
- Colaboração Borexino: Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino, Physical Review D 101, 012009 (2020).
- Colaboração KamLAND: Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND, Nature 436, 499 (2005).