Коллаборация Borexino рассказала о шестилетних наблюдениях нейтринного свечения Земли

Нейтринный эксперимент Borexino, впервые поймавший земные нейтрино пять лет назад, занялся изучением их спектроскопии. Новые данные не только уточнили вклад радиоактивности в тепловой баланс Земли, но и доказали, что радиогенное тепло идет и от земной коры, и из мантии. Статья коллаборации Borexino появилась в архиве препринтов Корнельского университета несколько дней назад и направлена на публикацию.

Нейтрино — сверхлегкие и практически неуловимые частицы — не только попадают на Землю из космоса, но и рождаются прямо в земных недрах, в результате распада урана, тория, и калия. Это «нейтринное свечение» Земли само по себе ни на что не влияет, но оно несет информацию о том, сколько радиогенного тепла выделяется в ходе этих распадов. С точки зрения теплового баланса, Земля — это огромная печка, выводящая наружу через всю свою поверхность примерно 47 тераватт тепла. Однако до недавнего не было известно, какую часть этого потока порождает радиоактивность, а какая приходится на остаточное тепло Земли. Оценки радиогенного вклада варьировались от 4 до 40 тераватт, и уточнить их без прямого измерения не представлялось возможным. 

Единственный способ определить этот вклад напрямую — это поймать геонейтрино и измерить их поток. Земные нейтрино, а точнее антинейтрино, рождаются при распаде изотопа урана или тория не напрямую, а в ходе бета-распада долгоживущих вторичных изотопов. Процесс этот изучен в лаборатории (в частности, для нужд ядерной энергетики), поэтому известна связь между энерговыделением в одном распаде и количеством и энергией вылетающих при этом нейтрино. Земля для нейтрино прозрачна, и все нейтрино, родившиеся в земных недрах, свободно выходят наружу. Поэтому если удастся зарегистрировать и измерить геонейтринный поток, это позволит оценить радиогенную составляющую собственного тепла Земли.

Детектировать нейтрино очень трудно из-за исключительной редкости событий и из-за необходимости экранировать детектор от всевозможных фоновых процессов. В случае геонейтрино есть и дополнительная сложность: сопоставимый с земным поток антинейтрино идет также из всех ядерных реакторов. Направление прихода нейтрино с такой небольшой энергией установить нереально. Поэтому для надежного измерения геонейтринного потока требуется не только что-то поймать, но и точно знать, сколько нейтрино попадает в детектор из всех окрестных реакторов — причем оценивать это нужно с учетом нейтринных осцилляций.

Первое достоверное сообщение о регистрации геонейтрино было сделано в 2010 году международным коллективом, проводивших эксперимент Borexino в итальянской подземной Национальной лаборатории Гран-Сассо. Антинейтрино в этом детекторе регистрируются с помощью обратного бета-распада. Антинейтрино налетает на протон и рождает позитрон и нейтрон; позитрон тут же аннигилирует и порождает вспышку света (быстрый отклик), а нейтрон блуждает миллисекунду, захватывается ядром, и порождает гамма-квант (задержанный отклик). Благодаря этой двухступенчатой технологии детектирования, а также жестким правилам отсева посторонних событий, практически каждое зарегистрованное событие в Borexino было вызвано или геонейтрино, или реакторным нейтрино. Отделив реакторный вклад, исследователи смогли увидеть в 2010 году примерно 10 геонейтрино.

В новой статье коллаборации Borexino сообщается о результатах обработки данных уже за шесть полноценных лет наблюдений. За это время было накоплено 77 событий, прошедших все стадии отбора. Фоновых событий среди них — не более одного, что является выдающимся техническим достижением для такого типа экспериментов. Примерно треть из них должна составлять геонейтрино, а остаток — реакторные. Для того, чтобы отделить одно от другого, исследователи не просто подсчитали количество нейтрино, но и изучили их спектр, то есть построили их распределение по энергии.

Реакторные нейтрино в среднем более энергетические, чем геонейтрино. Более того, спектр ториевых и урановых геонейтрино тоже слегка различается. Поэтому нейтринный спектр, полученный Borexino, позволил не только выделить геонейтрино, но и приблизительно разделить их по происхождению. Это, в свою очередь, позволило напрямую оценить соотношение тория к урану в земных недрах. До сих пор это отношение оценивалось косвенно, исходя из общей теории возникновения Земли. Сейчас наземный эксперимент впервые позволил заглянуть вглубь Земли и смог практически в реальном времени измерить это соотношение. Оно оказалось примерно вдвое больше оценочного; правда, из-за больших погрешностей ни о каком расхождении с теорией речи пока не идет. 

Новые данные позволили также уточнить общий вклад урана и тория в радиогенное тепло Земли. Он составляет от 23 до 36 тераватт, а с учетом калия-40, который этим детектором не регистрируется, получается значение, близкое к полной мощности. Более того, благодаря уточненным числам впервые удалось разделить радиогенное тепло по происхождению: оказалось, что примерно половину дает мантия, и половину — вся земная кора. Это первая прямая регистрация того факта, что в мантии тоже активно вырабатывается радиогенное тепло.

Технология детектирования геонейтрино в Borexino настолько хорошо работает, что сейчас единственными ограничивающими факторами являются лишь размеры детектора и время накопления данных. Если удастся построить более масштабную версию той же установки, это откроет новые возможности для точных геофизических исследований. В целом, изучение земных недр с помощью геонейтрино — это один из многочисленных примеров прикладных задач, которые удается решать благодаря технологиям, созданным для изучения элементарных частиц.

Игорь Иванов