Нейтрино помогли оценить разогрев Земли от ядерных распадов

Физики подвели итоги наблюдения на установке Borexino за рождающими 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 ядре 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 Земли
в 38,2 ± 13 тераватт, что составляет около 80 процентов от общей светимости
планеты. Несмотря на относительно большую ошибку, с высокой вероятность
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 позволяет с вероятностью в 95
процентов исключить наличие в ядре Земле 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»).

Поделиться: