В эксперименте Борексино получены новые данные измерения потоков нейтрино, излучаемых из глубин Земли. Результаты опубликованы в последнем номере журнала Physical Review D (101 (1), 012009 – Published 21 January 2020). В создании детектора Борексино и получении этих данных большой вклад внесли ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова (НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына), НИЦ «Курчатовский институт», ОИЯИ.
Так же, как и Солнце, Земля испускает невидимые невооруженным глазом частицы - геонейтрино, которые образуются в процессах радиоактивного распада элементов в глубинах Земли. Каждую секунду поток в несколько миллионов геонейтрино пронизывает каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Изучение геонейтрино позволяет прояснить процессы и условия в земных глубинах, все еще представляющие загадку в наши дни.
Детектор Борексино, расположенный в подземной Национальной Лаборатории Гран-Сассо (Италия), сегодня является одним из двух детекторов в мире, наблюдавших эти призрачные частицы. Набор данных на детекторе исследователи начали в мае 2007 года. К 2019 году количество идентифицированных геонейтрино увеличилось в два раза по сравнению с 2015 годом благодаря большему времени набора данных и значительному улучшению методов анализа. Это позволило уменьшить неопределенность измерения полного потока геонейтрино с 27 до 18%.
Выполненные исследования с достоверностью 99% указывают на наличие радиоактивных элементов не только в коре, но и земной мантии. Кроме того, впервые установлены ограничения на содержание в мантии урана и тория.
Интенсивное магнитное поле Земли, непрекращающаяся вулканическая активность, движение тектонических плит, конвекция в мантии — все эти процессы в недрах и на поверхности Земли во многом являются уникальными для планет Солнечной системы. В частности, вопрос происхождения тепла в недрах Земли обсуждается учеными на протяжении последних 200 лет. Измерения потока геонейтрино позволяют понять, каков вклад радиогенной составляющей в полный тепловой поток, и в особенности, как много тепла излучается радионуклидами в земной мантии. Ученые коллаборации Борексино выделили сигнал от мантии, используя измеренный полный поток геонейтрино от Земли и сравнительно точные предсказания для геонейтринного сигнала от литосферы.
Эти детали важны для уточнения моделей строения Земли и процессов, проистекающих в ее недрах. Как пример, высока вероятность (85%) того, что процессы радиоактивного распада в глубинах Земли ответственны за большую часть потока тепла из Земли, при этом менее половины потока представляет собой тепло, накопленное еще при формировании Земли. Таким образом, радиоактивность Земли дает весомый вклад в энергию, питающую вулканическую активность, землетрясения, а также механизм геодинамо, ответственный за магнитное поле Земли.
В публикации представлены не только новые результаты, но и детали проведенного анализа, которые будут востребованы учеными, работающими на следующем поколении жидко-сцинтилляционных детекторов, нацеленных на измерение потоков геонейтрино.
Серьёзным вызовом для физиков на сегодня остается более точное измерение потока геонейтрино от мантии. Для этого, вероятно, будут использоваться несколько детекторов, расположенных в разных точках Земли. Есть проект создания геонейтринного детектора в России, в Баксанской нейтринной обсерватории. Другим проектом является детектор JUNO, в настоящее время сооружаемый в Китае, который будет в 70 раз больше Борексино по массе, что позволит достичь большей точности измерений за более короткие сроки.
Статья стала выбором редакции журнала Physical Review D этого номера:
https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevD.101.012009
На рисунке схематически показан детектор Борексино. Детектор является спектрометрическим прибором, регистрирующим энергию прилетающих нейтрино. Так измеряется энергетический спектр геонейтрино, изображенный в нижнем левом углу рисунка.
Copyright: Borexino collaboration
Phys. Rev. D 101 (1), 012009 – Published 21 January 2020
DOI: 10.1103/PhysRevD.101.012009