О геонейтрино разговор пошел примерно с 1960-х годов. Венгерский физик Маркс выдвигал популярную идею попробовать измерить радиоактивность Земли. Чтобы ее измерить, так как уран и торий повсюду распределены в земной коре, где мы живем, и служат источником фонов для низкофоновых измерений (обычно все эти радиоактивные изотопы, которые излучаются цепочками урана и тория), ему пришла в голову мысль попробовать зарегистрировать этот поток. И он сделал первые расчеты, которые показали, что поток достаточно высок, как казалось на тот момент. Но ни одна установка не могла его зарегистрировать, потому что все-таки нейтрино низких энергий очень плохо регистрируются.

Прошло много времени, совершенствовалась техника регистрации просто нейтрино от реакторов. И теперь мы можем уже говорить о регистрации геонейтрино уверенно, тем более сейчас два детектора как раз показали спектр антинейтрино от урана и тория. Это детектор Borexino, который находится в Гран-Сассо в Италии, и детектор KamLAND, находящийся в Японии в местечке Камиока.

Оказалось, что предсказываемый спектр антинейтрино от источников урана и тория именно такой, какой мы наблюдаем в детекторах. Но этого пока мало. Статистика очень маленькая. Можно представить, что на одну килотонну мишени, то есть тысячу сцинтиллятора, в год регистрируется от 40 до 60 событий от геонейтрино со всей Земли. То есть из всего потока, излучаемого всеми изотопами, можно зарегистрировать всего 40–60 событий. Для того чтобы уверенно регистрировать такие потоки, необходим детектор, который имеет мишень порядка 5 или 10 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора, например. Жидкий сцинтиллятор наиболее удобен, потому что его можно нарабатывать в больших количествах, он очень прозрачен, свет из него хорошо выходит. Это такой удобный объект именно для измерения всяких потоков редких вещей. К тому же оказалось, что жидкий сцинтиллятор, который производится из нефти, содержит очень мало радиоактивных примесей, в частности урана, тория и калия. Он хорошо очищается от этих изотопов. И единственной преградой для использования жидкого сцинтиллятора, (например, для исследования солнечных нейтрино) служит изотоп, использующийся для хронологии всяких объектов, артефактов, которые находятся в археологии, которые были органического происхождения, — это углерод-14.

Рекомендуем по этой теме:
7102
Лептоны и нейтрино

Углерод-14, оказывается, встает такой стеной, за которую проникнуть очень тяжело, ниже уйти по порогу, и поэтому он служит естественным барьером. Но для остальных изотопов сцинтиллятор чистый. И он может быть использован для регистрации геонейтрино либо нейтрино от Солнца.

К геонейтрино относят в основном три радиоактивных изотопа, которые мы наблюдаем в природе и у которых период полураспада превышает время жизни Земли. Время жизни Земли, как мы знаем, примерно 4,5 млрд лет, оцененный несколькими методами. А период полураспада урана-238 — 4,7 млрд лет. Период полураспада тория-232 в три раза больше — это примерно 12 млрд лет. У калия-40 период полураспада тоже сравним с ураном-238.

Чем интересны эти три изотопа? Во-первых, любой радиоактивный распад вызывает выделение энергии, то есть нагревание вещества в окрестностях произведенного распада. Альфа-частица или бета-частица несет энергию, которой она нагревает окружающую среду. Как мы знаем, у нас Земля имеет некий тепловой поток, который выходит из недр Земли. Опыт бурения глубоких скважин показал, что на каждые 100 метров температура повышается примерно на 2 градуса в среднем по Земле.

Есть горячие места, где содержится много урана и тория, и там 4–5 градуса повышения на 100 метров. Об источниках тепла ведутся споры давно. Но все сошлись во мнении, что основным источником тепла является естественная радиоактивность. Вопрос в том, сколько урана, тория и калия находится в Земле. Если мы будем хорошо знать этот поток, чувствовать его и мерить на поверхности, то человечество будет готово к тому, чтобы бороться со всякими климатическими изменениями. Сейчас наблюдается парниковый эффект. Считается, что это от человека. С другой стороны, есть косвенные данные о том, что человек тут совсем ни при чем. Просто огромное количество тепла выделяется внутри Земли, тепло выходит на поверхность и нагревает, например, Мировой океан. Мировой океан подогревается, и начинаются всякие атмосферные явления. Турбулентность возрастает в атмосфере. И здесь очень важно как раз надежно замерить потоки от урана, тория и калия.

С торием и ураном более-менее все понятно, как их измерять. Нужно строить большие дорогие детекторы. Стоимость детектора типа KamLAND, если его строить с нуля (там одна килотонна жидкого сцинтиллятора) на голом месте (например, у нас на Баксане есть место, где можно было бы построить такой детектор), оценивается примерно от 100 до 200 миллионов долларов. То есть это вопрос эффективности расходования средств и так далее. А вот с калием-40 есть сложности. Энергия калия-40 находится ниже порога регистрации как раз антинейтрино с использованием реакции бета-распада. И здесь надо использовать реакцию рассеяния нейтрино на электронах. Это однократные события в детекторе. То есть детектор должен обладать настолько низким фоном, чтобы видеть такие события. Это довольно сложная задача. На сегодняшний день единственный детектор в мире — это Borexino, обладающий сцинтиллятором, который содержит мало урана, тория и достаточно мало полония-210, который трудно удалить из сцинтиллятора. Но зато этот полоний дает такой пик, который можно всегда вырезать в измерениях, что обычно и делают, когда меряют солнечные нейтрино.

Но калиевые нейтрино все равно находятся пока в фонах от других радиоактивных источников, которые находятся в сцинтилляторе, и его трудно выделить. С калием проблема, потому что калий содержится в Земле даже вполовину меньше, чем в коре. А в коре калия содержится порядка 2% по массе. То есть, если вы посмотрите, это значение варьируется от 1,5 до 2% калия в коре. А калий содержит изотоп калий-40. И калий-40 испытывает бета-переход и испускает гамма-квант с энергией 1,46 кэВ. Гамма-кванты быстро поглощаются, бета-частицы тоже. Но от бета-частицы вылетают как раз антинейтрино, которые вы можете зарегистрировать на поверхности таким детектором по рассеянию на электроне. Если калия в Земле содержится хотя бы половина от содержания в коре, то тогда энерговыделение в Земле оказывается настолько большим, что непонятно, почему мы мало наблюдаем его на поверхности.

Этому существуют различные объяснения. Например, это взаимосвязано с образованием нефти или образованием различных газов. Например, есть такой газ силан. И при образовании силана на него идет очень много энергии. Получается, можно объяснить, куда девается энергия. Например, на образование этого газа. Когда этот газ выходит из земли, встречает воду и воздух, он выделяет очень много энергии в местах соединения воздуха с водой. Такие вещи наблюдаются, например, в разломах. Есть разломы в коре, там этот газ может подходить близко к поверхности, и наблюдается разогрев. Здесь очень много загадок, которые может помочь разрешить именно регистрация нейтрино, как раз геонейтрино от калия. Это задача будущего. Нужно создать очень чистый сцинтиллятор и зарегистрировать этот поток. Если оказывается, что этот поток мал, тогда весь тепловой поток от Земли объясняется ураном, торием и другими вещами, как трение плит между собой, какие-то химические реакции. Но химические реакции могут аккумулировать энергию от Земли через образование каких-то соединений, которые поглощают энергию, а потом выделяют в другом месте. То есть здесь идут довольно сложные процессы. Но мы можем предсказать полный поток, измеряя нейтрино.

Надо сказать, что кроме просто теплового потока еще есть дискуссии об образовании Земли, как Земля была образована, из каких элементов она состоит. Это тоже очень интересный вопрос. На сегодняшний день отношение концентрации тория к концентрации урана в Земле считается 3,9, то есть примерно 4. И эта цифра была получена измерением радиоактивности различных образцов по всей Земле. Ученые брали образцы грунта в разных местах поверхности из различных скважин, которые бурились, и проводился анализ. Кроме этого, еще в 1950-е годы был проделан анализ метеоритов, падающих на Землю. Оказалось, что состав у хондритовых метеоритов, которые по составу близки к каменным, близок к тому, что мы наблюдаем в коре.

Рекомендуем по этой теме:
9442
Осцилляции нейтрино

И таким образом, в свое время была сформулирована гипотеза, что Земля может быть образована именно из метеоритов. Метеориты собирались в кучку. Земля образовалась, потом расплавилась за счет гравитационного сжатия и радиоактивных элементов. Однако тут есть очень интересная теория. Оказывается, что в магнитном поле протозвезды, то есть прото-Солнца, могло происходить разделение элементов. Всегда происходит ионизация, образуется плазма. Плазма двигается в магнитном поле, а магнитное поле у Солнца должно было быть обязательно, потому что это такой плазменный шар, который вращается, он тоже создает магнитное поле, и элементы могли захватываться на разных орбитах с разной интенсивностью. Таким образом, регистрация как раз нейтрино из Земли, анализ этого излучения, сортировка, какое излучение идет от калия, какое от урана, какое от тория, — все это может дать ответ на этот вопрос, состоит ли Земля из тех же элементов, что и метеориты, например. А метеориты, как мы знаем, приходят к нам из пояса астероидов, расположенного между Марсом и Юпитером. Либо Земля все-таки состоит из другого вещества, которое когда-то было во время образования планетной системы.