С помощью нейтрино учёные изучат радиоактивные источники тепла в недрах Земли

Значительное количество тепла исходит из глубины Земли. Это тепло эквивалентно более чем трехкратному потреблению энергии всего мира и движет важными геологическими процессами, такими как движение тектонических плит и течение магмы у поверхности Земли. Но, несмотря на это, где именно рождается до половины этого тепла, остается загадкой.

Считается, что нейтрино определенного типа — частицы с чрезвычайно низкой массой — излучаемые радиоактивными процессами в недрах Земли, могут стать важным ключом к решению этой тайны. Проблема в том, что их почти невозможно поймать. Но в новой статье, опубликованной в журнале Nature Communications, ученые изложили способ, который может сработать.

Известные источники тепла в недрах Земли — это радиоактивный распад и остаточное тепло с тех времен, когда планета только сформировалась. Объем нагрева от радиоактивности, рассчитанный на основе измерений состава образцов горных пород, пока не определен — 25-90% общего потока тепла.

Атомы радиоактивных материалов имеют нестабильные ядра, а значит могут расщепляться (распадаться до стабильного состояния) с выбросом радиации — часть которой преобразуется в тепло. Эта радиация состоит из различных частиц определенных энергий — в зависимости от того, какой материал их испустил — включая нейтрино. Когда радиоактивные элементы распадаются в коре и мантии Земли, они испускают «геонейтрино». По сути, каждую секунду Земля испускает более триллиона триллионов таких частиц в космос. Измерение их энергии могло бы рассказать о том, какое вещество их производит, а значит и о составе недр Земли.

Основными известными источниками радиоактивности на Земле являются нестабильные типы урана, тория и калия — это мы узнали, изучая образцы пород на глубине 200 километров под поверхностью. Что скрывается ниже этой глубины, непонятно. Мы знаем, что геонейтрино, излучаемые при распаде урана, имеют больше энергии, чем излучаемые при распаде калия. Таким образом, измеряя энергию геонейтрино, мы могли бы узнать, из какого типа радиоактивного материала они исходят. Фактически это гораздо более простой способ выяснить, что находится внутри Земли, чем сверлить десятки километров ниже поверхности планеты.

К сожалению, геонейтрино чрезвычайно сложно обнаружить. Вместо того чтобы взаимодействовать с обычным веществом, таким как то, что внутри детекторов, они просто пролетают через него. Именно поэтому потребовался гигантский подземный детектор, наполненный 1000 тонн жидкости, чтобы впервые наблюдать геонейтрино в 2003 году. Такие детекторы измеряют нейтрино, регистрируя их столкновение с атомами в жидкости.

С тех пор лишь один другой эксперимент сумел наблюдать геонейтрино, используя аналогичную технологию. Оба измерения полагают, что порядка половины земного тепла, вызванного радиоактивностью (20 тераватт), можно объяснить распадом урана и тория. Источник оставшихся 50% остается неизвестным.

Однако измерения до сих пор не смогли измерить вклад распада калия — нейтрино, излучаемые в этом процессе, имеют слишком низкую энергию. Может быть так, что остальная часть тепла исходит из распада калия.

Новые исследования позволяют предположить, что ученые могут составить карту тепловых потоков изнутри Земли, измеряя направление, в котором приходят геонейтрино, а также их энергию. Звучит просто, но технологически эта задача крайне сложная и требует новых методов обнаружения частиц.

Ученые предлагают использовать заполненные газом камеры с детекторами «временной проекции». Такие детекторы создают трехмерную картину геонейтрино, сталкивающихся с газом внутри камеры и выбивающих электрон из атома газа. Движение этого электрона можно отслеживать с течением времени, чтобы восстановить одно измерение процесса (время). Технологии визуализации с высоким разрешением могли бы затем реконструировать два пространственных измерения движения этого электрона. В используемых в настоящее время жидкостных детекторах, частицы, которые сталкиваются и разлетаются, проходят небольшую дистанцию (потому что находятся в жидкости), и направление их невозможно определить.

Подобные детекторы меньших масштабов в настоящее время используются для точного измерения нейтринных взаимодействий и поиска темной материи. Ученые рассчитали, что размер детектора, необходимый для обнаружения геонейтрино из радиоактивного калия, составит 20 тонн. Чтобы правильно картировать состав мантии с первого раза, он должен быть в 10 раз массивнее. Прототип такого детектора уже построен и ведется работа над его масштабированием.

Измерение геонейтрино таким образом может помочь отобразить тепловой поток в недрах Земли. Это поможет нам понять эволюцию внутреннего ядра путем оценки концентрации радиоактивных элементов. Это могло бы также помочь разгадать давнюю тайну того источника тепла, который обеспечивает конвекцию (перенос тепла движением жидкостей) во внешнем ядре, которое генерирует геомагнитное поле Земли. Это поле имеет жизненно важное значение для сохранения нашей атмосферы, которая защищает жизнь на Земле от вредного излучения солнца.