Геонейтрино
Геонейтрино — это антинейтрино, которые возникают в недрах Земли. Они происходят из радиоактивного распада урана, тория и калия в горной породе — и они единственный известный путь заглянуть планете, в известном смысле, под кожу.
Вопрос, на который они отвечают
Земля внутри горяча. Около 47 тераватт постоянно текут через поверхность наружу — более чем вдвое больше мирового энергопотребления человечества.
Это тепло приводит в движение всё, что делает планету геологически живой: тектонику плит, вулканизм, геодинамо, которое порождает магнитное поле и защищает нас от солнечного ветра.
Откуда оно берётся? Мыслимы два источника. Одна часть — это остаточное тепло от возникновения планеты четыре с половиной миллиарда лет назад. Другая часть происходит из радиоактивного распада в недрах.
Как то и другое распределяется, долго было неизвестно. Бурения достигают лишь нескольких километров глубины — самая глубокая скважина в мире доходит до двенадцати. Сейсмические волны выдают плотность и состояние, но не химический состав.
Почему ответ дают нейтрино
Каждый распад урана или тория высвобождает антинейтрино, и они беспрепятственно покидают Землю. Их число непосредственно является мерой количества этих элементов в планете — и тем самым радиогенной доли земного тепла.
К этому относится одно ограничение: метод видит только уран и торий. Калий-40 хотя и вносит существенный вклад в тепло, но его антинейтрино лежат ниже энергетического порога обратного бета-распада в 1,8 мегаэлектронвольта и остаются тем самым невидимыми. Его вклад по-прежнему приходится рассчитывать.
Регистрация
Метод тот же, что и у реакторных нейтрино: обратный бета-распад в большом сцинтилляторе, распознаваемый по двойному сигналу из аннигиляции позитрона и захвата нейтрона.
Трудность лежит в скорости счёта. Детектор в тысячу тонн регистрирует несколько десятков геонейтрино в год. Расположенный поблизости реактор даёт то же количество за один день.
Стало быть, важны две вещи: очень чистые детекторы и площадка как можно дальше от атомных электростанций.
Два измерения
KamLAND в Японии сообщил в 2005 году о первом указании. Площадка сама по себе неблагоприятна, потому что Япония эксплуатирует много реакторов. После их временного отключения начиная с 2011 года условия измерений непреднамеренно значительно улучшились — редкий случай, когда эксперимент выиграл от события вне науки.
Borexino в Италии измерял с меньшим фоном и дал в 2020 году самый точный на сегодня результат.
Что из этого вышло
Измерения дают, что около половины теплового потока Земли происходит из радиоактивного распада. Другая половина — остаточное тепло.
Это надёжное утверждение о строении планеты, полученное из частиц, которые пролетают сквозь неё. Оно помогает сузить модели возникновения Земли — и ответить на вопрос, как долго тектоника плит ещё будет приводиться в движение.
Что ещё остаётся открытым
Распределение. Сидят ли уран и торий преимущественно в коре или также глубже в мантии, из одного лишь полного числа прочитать нельзя. Детектор, который мог бы определять направление, решил бы это — но направление как раз то, чего сцинтиллятор не даёт.
Проходимый путь ведёт через измерения в нескольких далеко отстоящих друг от друга местах: детектор на континентальной коре видит больше геонейтрино, чем детектор посреди океана, потому что континентальная кора богаче ураном и торием. Из таких различий можно вывести распределение.
JUNO задаст здесь новые масштабы с 20 000 тоннами сцинтиллятора.
Смежные понятия
- Антинейтрино
- Borexino и KamLAND — измерения
- Сцинтиллятор — техника
- Бета-распад — источник