12 Декабря 2019
МОСКВА, 12 декабря —, Татьяна Пичугина. 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.Нейтрино и антинейтрино — азбучные 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 ясных нейтрино. В 2010 второй году существование частиц надежно подтвердилось в ходе эксперимента Borexino в Италии.
Земные антинейтрино помогут раскрыть фундаментальные загадки науки: сколько радиоактивных декоративный 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: мануфактура, 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 тяги, 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 имеющихся экспериментах займет сотни лет.
Детекторы Borexino и KamLAND — это широкие емкости, наполненные жидкими углеводородами, выполняющими роль сцинтиллятора. При взаимодействии с нейтрино они испускают фотоны, которые вносят 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 вящего событий, массу сцинтиллятора значительно увеличат, саму жидкость обокрадут от радиоактивных примесей (углерод-14, радон), устраивающих 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 люминофором. Крупнейший в мире 20-килотонный детектор, предназначенный в том числе для изучения земных нейтрино, — JUNO — устанавливают на юге Китая. Он начнет собирать статистику к 2021 году.
Обсуждается создание большого сцинтилляционного сенсора с массой мишени десять килотонн в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН на Северном Кавказе.
Как пишут авторы проекта, географические индивидуальности расположения обсерватории позволяют существенно удержать фон, связанный с потоками антинейтрино от работающих реакторов АЭС, и зарегистрировать потоки антинейтрино, несущие информацию о сооруженье земной коры в данном регионе.
За естественную радиоактивность Земли отвечают 34 долгоживущих изотопа, наибольший взнос 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 развлечённого в мантии, в ядре практически нет.
Такое распределение радионуклидов стало следствием формирования планеты. Сразу после рождения из плотного газопылевого облака Земля представляла собой растопленный 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 аэролитами.
По мере остывания вещество планеты стало расслаиваться. Железо и элемент опустились внутрь, образовав ядро, сверху скопился силикатный растоп, вобравший в себя литофильные элементы, в том числе калий, торий, металл.
При бета-распаде энергия, которую веют электроны, преобразуется в термическую, а антинейтрино уносят свою часть энергии в космическое пространство. Если знать их факторы, можно вычислить концентрацию материнских радионуклидов в коре и мантии и уточнить, сколько тепла они генерируют.
Нынешние оценки суммарного термического 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 остывание 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 — смонтировать соотношение изотопов тория и металла. Анализ хондритовых метеоритов и сопоставление проб, взятых в земной коре, позволили считать, что тория-232 в 3, 9 раза больше, чем урана-238. Чтобы понять заблаговременную эволюцию Земли, нужна точная оценка, которую можно создать, изучая геонейтрино.
Однако предварительно спрогнозированная масса тория и урана в коре и мантии не растолковывает всего радиогенного потока тепла. В связи с этим в 1990-х появилась гипотеза, что на начальном этапе формирования Земли часть радионуклидов вошла в состав продукт ядра. Этот природный геореактор служит источником энергии для мантийных плюмов и магнитного поля вселенной. Проверить это предположение поможет детектор JUNO.
В расчетах теплового потока планеты обычно не учитывают взнос 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 обществом модель изначально гидридной Земли, основанную на том, что на состав планет влияет их удаленность от Солнца. Принципиальное отличие этой модели от традиционной в том, что она допускает содержание радионуклидов в ядре, а масса калия-40 на два порядка превышает массы металла и тория. За счет этого суммарный тепловой поток удаётся огромным — порядка 304 тераватт против 47 тераватт, считанных по замерам в сверхглубоких дырах.
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.
Редактор рубрики
Олег Кудрин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....