Коллектив ученых, участвующих в эксперименте на детектореБорексино, представил новые результаты измерений потоков нейтрино, испускаемых из глубин Земли. Детектор Борексино расположен в тоннеле под горным массивом Гран-Сассо в Центральной Италии, толщина скальных пород над лабораторией достигает 1400 метров. Нейтрино, «частицы-призраки» по определению А. Азимова, крайне неохотно взаимодействуют с веществом, что делает их регистрацию очень трудным делом. Новые данные позволили удвоить количество наблюдаемых событий. Результаты дают дополнительную информацию о процессах и физических условиях в земных недрах, до сих пор представляющих собой загадку.
Так же, как и Солнце, Земля испускает частицы, невидимые невооруженным глазом. В отличие от солнечных нейтрино, образующихся при слиянии ядер, геонейтрино являются античастицами, антинейтрино, сопровождающими процессы радиоактивного распада элементов в глубинах Земли. Каждую секунду через каждый квадратный сантиметр земной поверхности проходит несколько миллионов геонейтрино.
На рисунке схематически показан детектор Борексино. Детектор является спектрометрическим прибором, регистрирующим энергию прилетающих нейтрино. Так измеряется энергетический спектр геонейтрино, изображенный в нижнем левом углу рисунка
Детектор Борексино, расположенный в Национальной лаборатории Гран-Сассо, является одним из двух детекторов в мире, способных наблюдать эти призрачные частицы. Набор данных на детекторе исследователи начали в мае 2007 года. К 2019 году количество идентифицированных геонейтрино увеличилось в два раза по сравнению с 2015 годом, что позволило уменьшить неопределенность измерения полного геонейтринного потока с 27 до 18%. Прогресс достигнут не только за счет большего времени набора данных, но и благодаря качественному улучшению методов анализа.
«Геонейтрино являются меткой процессов радиоактивных распадов в глубинах Земли, генерирующих достоверно неизвестную на сегодня часть полной тепловой энергии, питающей динамику нашей планеты», — объясняет Олег Юрьевич Смирнов, руководитель группы Борексино в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. — «При этом особую роль играет тепловой поток от земной мантии, образцы вещества которой недоступны для исследователей в силу глубины залегания».
Предполагается, что полный геонейтринный сигнал складывается из сигнала мантии и литосферы. Ученые коллаборации Борексино выделили из зарегистрированного полного сигнала геонейтринный сигнал от мантии, используя достаточно точные предсказания геонейтринного сигнала от литосферы.
Процессы в недрах Земли, связанные с нагревом, такие как: интенсивное магнитное поле Земли, непрекращающаяся вулканическая активность, движение тектонических плит, конвекция в мантии, — во многом являются уникальными для Солнечной системы. Вопрос происхождения тепла в недрах Земли обсуждается учеными на протяжении последних 200 лет, но только в начале 20 века стало понятно, что значительный вклад в полное тепловыделение может вносить и радиоактивность.
«Присутствие радиоактивных элементов в земной мантии подтверждается нашими данными с достоверностью 99%. Анализ новых данных впервые позволяет установить нижние пределы на содержание урана и тория в мантии», — поясняет Олег Смирнов.
Эти детали важны для уточнения геофизических моделей Земли. Например, высока вероятность (85%) того, что процессы радиоактивного распада в глубинах Земли отвечают за большую часть потока тепла из Земли. При этом оставшаяся часть потока представляет собой тепло, накопленное еще при формировании Земли. Таким образом, радиоактивность нашей планеты дает весомый вклад в энергию, которая питает вулканическую активность, землетрясения, а также механизм геодинамо, ответственный за магнитное поле Земли.
Публикация в Phys. Rev. D достаточно объемна, в ней представлены не только новые данные, но и детали анализа с точки зрения физики частиц и геофизики, которые могут быть востребованы учеными, работающими на следующем поколении жидкосцинтилляционных детекторов.
Серьезным вызовом для физиков на сегодня остается проблема точности измерения потока геонейтрино от мантии. Для решения этой проблемы, вероятно, будут использоваться несколько детекторов, расположенных в разных точках Земли. Существует проект создания геонейтринного детектора в России, в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО). Другим проектом является строящийся в настоящее время в Китае детектор JUNO. В этом проекте задействована большая группа исследователей из ОИЯИ и других научных центров России. Масса детектора JUNO будет в 70 раз больше массы детектора Борексино, что позволит достичь большей точности измерений в более короткие сроки.