Нейтрино изучают Землю

О Земле мы, оказывается, знаем меньше, чем о далёких звёздах. Модели звёзд дают верное представление о температуре, давлении и других параметрах звёздных недр. Мы знаем источники их энергии. Это, главным образом, термоядерные реакции синтеза лёгких элементов, протекающие в центре звёзд, где вещество нагрето до высокой температуры. В нашем Солнце идёт реакция синтеза гелия из водорода.

Модель Земли менее информативна, а её строение не столь однородно, как у звёзд. Мы знаем, что земное ядро находится в расплавленном состоянии, но его состав и размеры точно не известны. По-видимому, там много железа, и из-за вращения планеты возникают вихревые токи, генерирующие магнитное поле – наш щит от космических заряженных частиц. Выше ядра – обширная мантия, верхний слой которой (литосфера) состоит из десяти тектонических плит, скользящих по подложке, температура которой близка к температуре плавления пород. Смещение плит вызывает дрейф континентов, их столкновения порождают землетрясения, извержения вулканов и другие напасти. Постоянное перемещение магнитных полюсов Земли (в последнее время достаточно большое, что вызывает тревогу геофизиков) связано, как полагают, с изменением вихревых токов внутри ядра.

Основную информацию о Земле мы получаем, изучая распространение сейсмических волн, искусственных или вызванных землетрясениями. Дополнительные сведения даёт исследование теплового потока из земных недр. До сих пор неизвестно, какая часть его – первичного происхождения (остаток тепла «горячей Земли» в момент её образования), а какая – радиогенная, от - и -распадов радиоактивных изотопов. По изучению пород земной коры стало ясно, что радиогенный поток образуется в основном в результате распадов урана и тория. Но каков процентный состав этих элементов в мантии и ядре, совершенно неизвестно.

В целом, мы живём на прекрасной планете, внутреннее устройство которой полно белых пятен. Сейчас появилась возможность существенно пополнить наши знания о земных недрах, причём сделать это прямым экспериментальным путём. В цепочках распадов ²³⁸U и ²³²Th, оканчивающихся стабильными изотопами свинца, есть -распады, в которых образуется нейтрино. Будучи проникающей частицей, слабо взаимодействующей с веществом, нейтрино проходит сквозь огромные толщи пород, практически не поглощаясь. Это был бы важнейший свидетель состояния земных глубин, если бы удавалось регистрировать поток геонейтрино.

Первый результат недавно получен в американо-японском эксперименте KamLand – зарегистрированы десятки земных нейтрино. Показана принципиальная возможность существования нового канала информации об источниках радиогенного тепла.

Детектор KamLand представляет собой бак с 1000 кг жидкого сцинтиллятора, расположенный на глубине 1 км в шахте Камиока, в горах западнее Токио. Здесь уже много лет действует подземная лаборатория по исследованию солнечных нейтрино, а в последнее время – суммарного потока антинейтрино от ядерных реакторов Японии и Южной Кореи (см. «Физику», 2004, № 18). И вот из общего числа измеренных событий, представляющих в основном реакторные антинейтрино, удалось выделить малый (в десятки раз меньше) поток геонейтрино.

Нейтрино регистрируются по реакции + n p + e^–, сечение (вероятность) которой сильно подавлено по сравнению с реакцией взаимодействия с антинейтрино. Таким образом, в данном эксперименте условие регистрации нейтрино крайне тяжёлое: они измеряются на фоне, намного превосходящем исследуемый поток. И всё же за 2,5 года работы было извлечено 25 -событий как остаток после исключения фона. Достоверность этого результата подтверждает анализ спектра зарегистрированных событий: измеренный спектр (точки с обозначенными погрешностями измерения) сопоставляется с расчётом фоновых событий для разных реакций. Как видно, основным источником фона являются реакторные антинейтрино (пунктирная линия) и нейтроны, образуемые в реакции захвата a-частиц (точечная линия). Спектры изучаемых геонейтрино – самые нижние: в интервале 1,8–2,0 МэВ (U) и в интервале 1,8–2,4 МэВ (Th). Этот спектр невозможно объяснить без участия потока геонейтрино.

Измеренный энергетический спектр зарегистрированных событий (точки с обозначением погрешностей) и расчётные спектры: без учёта (1) и с учётом (2) геонейтрино

Несмотря на весьма предварительный характер данных и большие измерительные ошибки, уже можно сделать ряд заключений: поток радиогенного тепла из земных недр в 1,5 раза больше, чем считалось ранее; массовое отношение тория к урану, полученное по анализу метеоритов и считавшееся равным 3,9 для всех тел Солнечной системы, возможно, имеет другое значение во внутренних слоях Земли; положено начало нейтринному зондированию планеты. Следующие эксперименты надо проводить с детекторами больших размеров, которые могли бы регистрировать не десятки, а сотни и тысячи геонейтрино, что вполне возможно. Надо располагать новые установки под таким же щитом от космических лучей (в шахтах или под горными массивами), но в местах, где нет реакторов и, следовательно, не будет большого фона от реакторных антинейтрино. Последнее условие легко выполнимо – на Земле, к счастью, не так много реакторов.

Дорога к более точным измерениям открыта. Очень скоро нейтринная геофизика станет действенным инструментом исследования внутреннего строения Земли, а там, глядишь, и других планет. Сеть нейтринных детекторов покроет Землю, создав условия для нейтринной терра-томографии.