Нейтрино помогли оценить разогрев Земли от ядерных распадов

Физики подвели итоги наблюдения на установке Borexino за рождающимися в недрах Земли нейтрино. Всего с 2007 по 2019 год было зафиксировано около 53 событий, что в два раза увеличивает имеющуюся статистику. Собранные данные позволяют исключить наличие гипотетического мощного естественного ядерного реактора в центре Земли и оценить суммарную тепловую мощность ядерных распадов в мантии планеты в 38 тераватт, что составляет около 80 процентов общей излучаемой Землей в космос мощности, пишут авторы в журнале Physical Review D.

Нейтрино — это крайне маломассивные частицы, не обладающие электрическим зарядом. Они участвуют только в слабых ядерных и гравитационных взаимодействиях, но из-за малой массы последнее сказывается лишь на космологических масштабах. Нейтрино могут рождаться в β-распадах ядер или при работе атомных реакторов. Существуют как космические, так и земные источники нейтрино.

Один из крупнейших детекторов нейтрино — установка Borexino в Италии. Она представляет собой 18-метровую сферу, заполненную 280 тоннами жидкого сцинтиллятора. Редкие взаимодействия частиц с ядрами сцинтиллятора приводят к вспышкам света, которые регистрируются окружающими фотодетекторами. Изначально Borexino создавалось для изучения прилетающих от Солнца нейтрино, но также может улавливать и рождающиеся в недрах Земли — геонейтрино. В частности, предыдущие результаты уже позволили оценить поток геонейтрино в 10²⁵ частиц в секунду, однако лишь крохотная часть их оставляет след в детекторе из-за крайне низкой вероятности взаимодействия.

Международный коллектив физиков, анализирующий данные Borexino, опубликовал результаты обработки наблюдений за геонейтрино с декабря 2007 года по апрель 2019 — всего 3263 дня. После учета шумов и отсечения ложных срабатываний (вызванных, например, мюонами), всего ученым удалось выделить 52,6 ± 9 ± 2,5 событий, где первое число обозначает наиболее вероятное значение, второе — статистическую погрешность, а третье — систематическую. Это примерно в два раза больше, чем было известно на момент публикации прошлого отчета в 2015 году.

Эти результаты согласуются с предположением о распадах урана-238 и тория-232 как основных источниках нейтрино подходящих энергий. Авторам впервые удалось с достоверностью в 99 процентов исключить гипотезу об отсутствии радиоактивных распадов в мантии Земли. Это, в свою очередь, позволяет установить нижние пределы на концентрации урана и тория в недрах планеты в 33 и 143 тератонн, соответственно.

Используя сторонние данные о содержании другого распространенного радиоактивного изотопа калий-40 и энерговыделение от распадов в литосфере, авторы оценивают суммарную тепловую мощность распадов во всей Земле в 38,2 ± 13 тераватт, что составляет около 80 процентов от общей светимости планеты. Несмотря на относительно большую ошибку, с высокой вероятностью полученные данные говорят о том, что как минимум половина выделяемой в недрах Земли энергии объясняется радиоактивными распадами. Следовательно, они играют существенную роль в поддержании геологической активности, которая проявляется в виде движений литосферных плит, извержений вулканов, землетрясений и генерации крупномасштабного магнитного поля.

Также собранные данные позволяют с вероятностью в 95 процентов исключить наличие в ядре Земли естественного ядерного реактора с общей тепловой мощностью выше 2,4 тераватт. Это означает, что система из нескольких рудных залежей в африканском регионе Окло по-прежнему остается единственным известным природным ядерным реактором на планете.

В прошлом году появилась информация, что эксперимент Borexino могут закрыть в ближайшее время, о чем мы подробно писали в тексте «Лаборатория под горой». Кстати, за исследования нейтрино дали нобелевскую премию по физике в 2015 году (подробнее читайте об этом в материале «Н значит нейтрино»).

Тимур Кешелава