Горизонты научного поиска

Сигналы из недр Земли:

эксперимент Борексино представил новые данные
по измерению потоков геонейтрино

Коллектив ученых, участвующих в одноименном эксперименте на детекторе Борексино, представил новые результаты измерений потоков нейтрино, испускаемых в глубинах Земли. Детектор Борексино расположен в тоннеле под горным массивом Гран Сассо в центральной Италии, толщина скальных пород над лабораторией достигает 1400 метров. Практически неуловимые нейтрино, частицы-призраки, по определению А.Азимова, крайне неохотно взаимодействуют с веществом, что делает их регистрацию очень трудным делом. В сравнении с предыдущим анализом, в новом наборе данных ученые наблюдают фактически вдвое больше геонейтрино. Результаты позволяют прояснить процессы и условия в земных глубинах, все еще представляющие собой загадку в наши дни.

Так же как и Солнце, Земля испускает невидимые невооруженным глазом частицы. В отличие от солнечных нейтрино, образующихся при слиянии ядер, геонейтрино являются античастицами, антинейтрино, сопровождающими процессы радиоактивного распада элементов в глубинах Земли. Ежесекундно поток в несколько миллионов геонейтрино пронизывает каждый квадратный сантиметр земной поверхности.

На рисунке схематически показан детектор Борексино. Это спектрометрический прибор, регистрирующий энергию прилетающих нейтрино. Так измеряется энергетический спектр геонейтрино, изображенный в нижнем левом углу рисунка.

Детектор Борексино 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 благодаря большему времени набора данных и значительному улучшению методов анализа. Это позволило уменьшить неопределенность измерения полного геонейтринного потока с 27 до 18 процентов.

"Геонейтрино являются меткой процессов радиоактивных распадов в глубинах Земли, генерирующих достоверно не известную на сегодня часть полной тепловой энергии, питающей динамику нашей планеты, - объясняет Олег Юрьевич Смирнов, руководитель группы Борексино в Лаборатории ядерных проблем. - При этом особую роль играет тепловой поток от земной мантии, образцы вещества которой недоступны для исследователей в силу глубины залегания".

Ученые коллаборации Борексино выделили геонейтринный сигнал от мантии, используя измеренный полный сигнал и сравнительно точные предсказания геонейтринного сигнала от литосферы.

Интенсивное магнитное поле Земли, непрекращающаяся вулканическая активность, движение тектонических плит, конвекция в мантии - все эти процессы в недрах Земли во многом являются уникальными для Солнечной системы. В частности, вопрос происхождения тепла в недрах Земли обсуждается учеными на протяжении последних 200 лет.

"Присутствие радиоактивных элементов в земной мантии подтверждается нашими данными с достоверностью 99 процентов. Анализ новых данных впервые позволяет установить нижние пределы на содержание урана и тория в мантии", - комментирует Олег Смирнов.

Эти детали важны для уточнения моделей Земли. Как пример, высока вероятность (85 процентов) того, что процессы радиоактивного распада в глубинах ответственны за большую часть потока тепла из Земли, при этом менее половины потока представляет собой тепло, накопленное еще при формировании планеты. Таким образом, радиоактивность Земли дает весомый вклад в энергию, питающую вулканическую активность, землетрясения, а также механизм геодинамо, ответственный за магнитное поле.

Публикация в Phys. Rev. достаточно объемна, в ней представлены не только новые данные, но и детали анализа с точки зрения физики частиц и геофизики, которые будут востребованы учеными, работающими на следующем поколении жидкосцинтилляционных детекторов, нацеленных на измерение потоков геонейтрино.

Серьезным вызовом для физиков на сегодня остается более точное измерение потока геонейтрино от мантии. Для этого, вероятно, будут использоваться несколько детекторов, расположенных в разных точках Земли. Есть проект создания геонейтринного детектора в России, в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО). Другой проект, детектор JUNO, в настоящее время реализуется в Китае. В этом проекте задействована большая группа исследователей из ОИЯИ и научных институтов России. Детектор будет в 70 раз больше Борексино, что позволит повысить точность измерений за более короткие сроки.

По материалам статьи
в Phys. Rev. D.101.012009