Впервые удалось зарегистрировать нейтрино, которые рождаются при распаде радиоактивных элементов, скрытых глубоко под земной поверхностью. Об этом в своей статье, опубликованной в журнале Nature, сообщают 87 исследователей из Японии, Соединенных Штатов, Франции и Китая. Результаты этих измерений со временем позволят оценить долю радиоактивных процессов в общем тепловом балансе нашей планеты. В более удаленной перспективе такие эксперименты дадут возможность получать важнейшую информацию о химическом составе земных недр.

Откуда берутся "глубинные" нейтрино и зачем вообще нужно изучать эти частицы? Хорошо известно, что наша планета излучает в космическое пространство куда больше тепла, нежели получает от Солнца. Разница между тотальной мощностью тепловой отдачи нашей планеты и ее солнечной компонентой по последним данным составляет 31 миллиард киловатт. Часть этого теплового потока берет начало в земном ядре, которое сильно нагрелось в процессе формирования планеты из материнского газопылевого облака и теперь постепенно остывает. Другая основная компонента подземного тепла обязана своим возникновением распаду нестабильных изотопов, сосредоточенных в коре и мантии. Есть еще кое-какие мелкие добавки, скажем, тепло, рожденное действием приливных сил, но в первом приближении их можно не брать в расчет.

Общая мощность теплового излучения радиоактивного происхождения пока известна лишь приближенно. Большинство специалистов полагает, что она составляет 18-19 миллиардов киловатт, однако не исключено, что такая оценка сильно занижена. Основные генераторы этого излучения хорошо известны. Это уран-238, торий-232 и калий-40. Распад первых двух изотопов дает львиную долю этого теплового потока, приблизительно 85%. По многим причинам геофизикам очень важно точно выяснить, сколько именно тепла выделяется при радиоактивных распадах и какова в этом балансе доля урана, тория и калия. Чтобы получить эти цифры, надо найти способ регистрировать на поверхности Земли какие-то материальные следы этих ядерных реакций.

В теории такая возможность очевидна, на практике же - трудноосуществима. И уран, и торий претерпевают цепочки превращений, которые в конечном счете приводят к рождению стабильных изотопов свинца с атомными весами 206 и 208. В ходе этих трансформаций возникают многочисленные тяжелые осколки, которые так и остаются в глубинах Земли. Однако некоторые из этих распадов приводят к появлению нейтрино, которые почти не взаимодействуют с другими частицами и поэтому с легкостью пронизывают всю толщу земного шара. Если быть точным, в этих процессах рождаются не нейтрино, а их античастицы, антинейтрино (точнее говоря, электронные антинейтрино). Распад радиоактивного калия идет двумя путями и заканчивается возникновением либо кальция, либо аргона, причем в обоих процессах опять-таки рождаются электронные антинейтрино. Происхождение этих частиц отражено в их названии - на профессиональном жаргоне они именуются "геонейтрино".

Аппаратура для регистрации нейтрино существует уже много лет, в том числе и в России. Большинство этих приборов рассчитано на учет высокоэнергетических нейтрино космического происхождения, а геонейтрино обладают довольно низкими энергиями. В Японии же имеется уникальный нейтринный детектор KamLAND, которому по плечу и эта задача. Правда, геонейтрино калиевого происхождения слишком медленны и для него, однако нейтринные осколки уранового и ториевого распада он уже способен заметить.

KamLAND - это сокращение от Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector, Жидкостный сцинтиллирующий антинейтринный детектор Камиока. Установлен в шахте Камиока, прорытой на километровой глубине в толще горы Икенояма, расположенной неподалеку от города Тояма на острове Хонсю. Сердце детектора - прозрачный пластиковый баллон тринадцатиметрового диаметра, содержащий тысячу тонн жидких углеводородов. Баллон подвешен внутри восемнадцатиметровой стальной сферы, на стенках которой размещены 1879 фотоумножителей. Сигналы от этих приборов поступают на центральный компьютер. Пространство между внешней сферой и пластиковым танком заполнено прозрачной парафиновой смесью, экранирующей детектор от всякого рода фоновых излучений.

Детектор KamLAND начал действовать всего три с половиной года назад. Несмотря на молодость, прибор уже получил большую известность в научном мире. В первые же месяцы работы он позволил обнаружить нейтринные осцилляции, которые были давно предсказаны теоретиками, но никак не поддавались экспериментальной проверке. Термином "нейтринные осцилляции" принято обозначать превращение электронных нейтрино в нейтрино двух других разновидностей, мюонные и тау. Наличие таких переходов показывает, что нейтрино имеют ненулевую массу покоя, а это результат исключительной важности. Так что детектору KamLAND повезло прославиться прямо-таки в раннем детстве.

И вот теперь - новое достижение. За два с половиной года наблюдений на этом приборе было обнаружено где-то от одного до четырех десятков электронных антинейтрино как раз тех энергий, которые испускаются при распаде урана и тория.

Геонейтрино, как и любые нейтрино, сталкиваются с более тяжелыми частицами чрезвычайно редко, но все же такое случается. Когда электронные антинейтрино пролетают через шаровой танк, они иногда наталкиваются на протоны, ядра водорода. В результате каждого такого соударения возникает один нейтрон и один позитрон, который тут же аннигилирует с ближайшим электроном. Эта аннигиляция рождает пару гамма-квантов, которые регистрируются фотоумножителями. Новорожденный нейтрон живет чуть дольше, а затем тоже встречается с протоном. При этом образуется ядро дейтерия и еще один гамма-квант, который опять-таки замечают фотоумножители. Для таких кратковременных вспышек у физиков есть термин "сцинтилляции" (от латинского слова scintillatio, мерцание), отсюда и название детектора.

Технология этих измерений очень сложна, отсюда и столь сильный разброс результатов. Выявление максимум одного геонейтрино в месяц вроде бы не впечатляет, однако, если подумать, свидетельствует о непомерных технических сложностях регистрации этих неуловимых частиц. Пока что ученые собрали слишком мало данных для достаточно точной оценки тепловых потоков от распадов урана и тория, однако лиха беда начало. Детектор KamLAND продолжает действовать и накапливать новую информацию. На будущий год в Италии запустят такой же прибор, который будет работать в паре с японским собратом. А когда аналогичные установки появятся и в других регионах, откроется путь к нейтринному сканированию земных недр в разных сечениях, своего рода нейтринной томографии нашей планеты. До сих пор такие "просвечивания" можно было проводить только с помощью сейсмографической аппаратуры, а ее возможности довольно ограничены. Так что нейтринная томография земных недр - голубая мечта геофизиков и геологов.

Источник:
T. Araki et al.
Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND
Nature 436, 499-503 (28 July 2005)