Новости химической науки > успешные сцинтилляционные измерения антинейтрино

Сердце Земли в значительной степени - тайна: ученые не могут отправиться к ядру нашей планеты и посмотреть, что там внутри. До сих пор у геологов был всего один инструмент - сейсмология. Но вот произошел прорыв: количество инструментов удвоилось. На помощь пришли неуловимые частицы.

Страшное дело, речь пойдет о позитронных нейтрино, они же антинейтрино, рожденные в недрах Земли, а потому именующиеся геонейтрино (geoneutrinos). Однако не бойтесь, все не так тяжеловесно и скучно, как кажется на первый взгляд.

Это раньше нейтрино были сферой интересов лишь фундаментальной физики и астрофизики. Сегодня же они переместились, так сказать, в практическую плоскость: элементарная частица с нулевой массой начала помогать нам в изучении геологии Земли.

В описании к этой иллюстрации говорится, что "левая половина показывает распределение производства геонейтрино, обнаруженного в KamLAND, а правая показывает геологическую структуру". Красный участок - это детектор и есть (иллюстрация с сайта kamland.stanford.edu)

Радостная новость поступила от 87 ученых из 14 научных учреждений Японии, США, Китая и Франции. Смысл сообщение вкратце звучит так: жидкий сцинтилляционный детектор антинейтрино KamLAND (Kamioka Liquid-scintillator Anti-Neutrino Detector) может использоваться как уникальное окно внутрь нашей планеты и обеспечить человечество ранее недоступной информацией о температуре Земли.

Оцените KamLAND в разрезе (иллюстрация с сайта kamland.lbl.gov)

Установка KamLAND заслуживает того, чтоб о ней рассказали поподробнее. Это самый большой в своем роде детектор в мире. Комплекс расположен под землей, точнее - в горных пещерах острова Хонсю.

Детектор состоит из бывшего метеозонда, воздушного шара диаметром 13 метров, заполненного тысячей тонн жидкого сцинтиллятора - химическим "супом", который испускает вспышку света, если поступающее антинейтрино сталкивается с протоном.

Шар с "коктейлем" находится в другом, стальном шаре диаметром 18 метров, внутренняя поверхность которого облицована 1879 фотоэлектронными умножителями - датчиками света, обнаруживающими вспышки и преобразующими их в электронные сигналы для компьютерного анализа.

Почти 2 тысячи фотоэлектронных умножителей фиксируют вспышки (фото с сайта lbl.gov)

Таким образом, благодаря KamLAND появляется шанс, что нейтрино или антинейтрино, способные пролететь всю Землю насквозь, "напорются" на протон, и ученые это зафиксируют, извлекут полезную информацию. В последние два года установка определяет, в среднем, по одной неуловимой частице в месяц.

Но вот теперь ученые объявили о "поимке" частицы, пришедшей не из космоса, а из земных недр. Этим самым подземный детектор и обрадовал исследователей, пытающихся разобраться в источниках высокой температуры внутри планеты.

По последним оценкам, суммарная тепловая мощность Земли составляет 31 триллион ватт. По большей части, это повторно излученная энергия, полученная от Солнца, но почти половина производится "внутренностями" планеты.

Частично этот поток тепла, как известно, обеспечивает радиоактивность, но какова ее доля, сказать было трудно, потому что до сих пор не было никакого точного способа измерения - сейсмические волны и бесхитростный химический анализ помочь тут не могут. А KamLAND, как выяснилось - да. Послушаем, что говорят о прорыве сами ученые.

"Это первый датчик, достаточно чувствительный, чтобы "поймать" геонейтрино, произведенные в Земле в результате распада урана-238 и тория-232, - объясняет физик-ядерщик из Беркли (Berkeley Lab) Стюарт Фридман (Stuart Freedman). - Так как геонейтрино, произведенные в результате распада этих изотопов, имеют чрезвычайно низкую вероятность взаимодействия, они безмятежно размножаются в Земле, и измерение около поверхности может дать информацию об их источниках".

Проще говоря, когда в недрах планеты происходит радиоактивный распад урана и тория, выпускаются неуловимые частицы. Теперь исследователи научились их улавливать и изучать то, что они несут - информацию о своем происхождении.

"Теперь диагностический инструмент для внутренностей Земли в наших руках. Впервые мы можем сказать, что нейтрино имеют практический интерес для других областей науки", - признается Ацуто Судзуки (Atsuto Suzuki) из университета Тохоку (Tohoku University).

На строительство детектора было затрачено больше $20 миллионов (схема с сайта dnp.nscl.msu.edu)

"Я думаю, что результаты многонационального сотрудничества на KamLAND очень интересны, - соглашается Деннис Ковар (Dennis Kovar) из Минэнерго США (DOE), - они указывают, что наука имеет новый мощный инструмент для того, чтобы глубоко заглянуть в ядро нашей планеты".

"Мы установили, что KamLAND может служить уникальным и ценным инструментом для исследования геонейтрино и иметь всестороннее применение для создания физических и геохимических моделей Земли", - продолжает Стюарт Фридман.

А так KamLAND выглядит в реальности (фото с сайта lbl.gov)

"Первое обнаружение антинейтрино под нашими ногами - очень значимый результат, - пишет Уильям Макдоно (William McDonough) из университета Мэриленда (University of Maryland), - это позволит нам лучше оценить распределение радиоактивных элементов в Земле и сумму высоких температур".

"По существу, мы знаем только кору нашей планеты. Мы можем бурить скважины в несколько километров глубиной, но дальше у нас нет доступа, - объясняет физик Джорджио Гратта (Giorgio Gratta) из Стэнфорда (Stanford University). То, что произошло, можно считать революцией. Но прежде, чем она действительно произойдет, я думаю, понадобится некоторое время, десятилетие или два. Измерения проводить очень трудно, аппаратура стоит очень дорого".

Точные измерения высокой температуры, произведенной земной радиоактивностью, ученые все же надеются провести и оборудование новое запустить - тоже. Возможно, лет через 10 они смогут собирать по одному геонейтрино каждый день.

Кстати, вскоре частицами займется другой, подобный KamLAND детектор: установка Borexino, как ожидается, начнет работу в 2006 году в Италии.

Источник: Membrana.Ru