Геонейтрино и исследование внутреннего строения Земли

Со второй половины XX века известно, что Земля содержит радиоактивные элементы, такие как уран-238, торий-232, калий-40 и еще ряд других, но в очень малом количестве. Впервые в 1960-х годах появились статьи, в которых описывались геонейтрино. Их стали называть геонейтрино, хотя это обычные антинейтрино, которые возникают при обычном бета-распаде у радиоактивных элементов, они достигают поверхности Земли и выходят в космос. В первых статьях Маркса и Эдера они назывались земными нейтрино, предлагалось использовать их, чтобы измерять радиоактивность Земли и понять, сколько тепла излучается за счет радиоактивного материала в Земле.

В 1960–1970-е годы не было такой техники, которая бы позволяла измерять эти нейтрино, поэтому все отложилось на долгие годы. В 1980-е годы, когда техника регистрации нейтрино уже появилась, состоялись первые эксперименты на ядерных реакторах, были зарегистрированы нейтрино от Солнца, стали опять помышлять о том, чтобы регистрировать геонейтрино. Появилась статья нобелевского лауреата Глэшоу, Шрамма и Краусса, предлагавших использовать геонейтрино с первыми оценками эффекта, которые могут быть в детекторе, какой детектор для этого нужен.

В 2000-е годы наконец два детектора зарегистрировали геонейтрино. Но оказалось, что они зарегистрировали не все геонейтрино, не полный поток, а только геонейтрино от двух изотопов — от урана-238 и тория-232. Оказалось, и в принципе это знали все, что нейтрино от калия-40 трудно зарегистрировать, у него граничная энергия бета-распада и, соответственно, антинейтрино — 1,3 МэВ. С такими энергиями нейтрино надо регистрировать только по реакции рассеяния на электроне. Сейчас открыто явление когерентного рассеяния нейтрино на ядрах. Регистрация нейтрино от калия-40 — это дело будущего. Эта установка должна быть типа Borexino с очень чистым сцинтиллятором, там можно будет зарегистрировать спектр от калия-40.

У существующих детекторов очень маленькая скорость счета. Один детектор находится в Японии, он называется KamLAND. Он был предназначен для проверки гипотезы осцилляции нейтрино. Уже было известно, что нейтрино от Солнца осциллируют, превращаются в мюонные и таонные и исчезают из потока. Детектор KamLAND был предназначен специально для того, чтобы это подтвердить. Должен был наблюдаться сильный провал в спектре антинейтрино от реактора как раз на расстоянии 100–180 километров от ядерных реакторов. Это было продемонстрировано, но как побочный эффект этот детектор зарегистрировал как раз геонейтрино от урана и тория, то есть характерный двугорбый спектр в мягкой области спектра нейтрино от реактора. После этого детектор Borexino в Италии, в Гран-Сассо, который регистрировал нейтрино от Солнца, проанализировал свои данные и обнаружил, что они тоже видят геонейтрино.

У обоих детекторов разница в чувствительной массе детектора в шесть раз. То есть 100 тонн в Италии у детектора чувствительная масса и 600 тонн детектор в Японии. Поэтому скорость счета детектора в Японии составляет примерно 12,5 событий в год для всего детектора. А для детектора в 100 тонн всего около четырех событий в год наблюдается от геонейтрино. Для детектора в Италии необходимо около тысячи лет, чтобы набрать приемлемую статистику, которую можно проанализировать и сделать заключения о том, где находятся источники нейтрино, сколько их и сколько тепла выделяется от элементов, которые их производят. А для KamLAND несколько меньше времени. Поэтому необходимо сделать большой детектор, масса которого по крайней мере в 100 раз превзойдет массу Borexino. Но сцинтиллятор для этого детектора должен быть по чистоте в 100 раз примерно чище, для того чтобы обнаружить нейтрино от калия-40, которые будут регистрироваться точно так же, как нейтрино от Солнца.

Встает вопрос о том, что солнечные нейтрино будут создавать фон теперь для этих нейтрино. Но калиевые нейтрино обнаружить очень важно, потому что если мы обнаруживаем нейтрино от калия-40 в количестве, достаточном для производства больших потоков нейтрино, то оказывается, что как раз калий-40 дает основной вклад в тепловой поток Земли. А если предположить, что в центре Земли находится обычного калия столько же, сколько в коре, где мы живем, на поверхности коры, то окажется, что этот поток в десять раз превышает тот поток тепла, который измерен на сегодняшний день.

Когда мы зарегистрируем геонейтрино в достаточном количестве, тогда можно будет понять, находятся ли радиоактивные изотопы вроде урана, тория и калия в центре Земли. На сегодняшний момент геофизика говорит, что этих изотопов там нет, потому что, согласно современной модели, Земля была когда-то расплавленным шаром. То есть когда она образовалась за счет воздействия метеоритов, столкновений с другими телами в области пространства на орбите Земли, Земля сильно разогревалась. Вдобавок наличие радиоактивных изотопов — на тот момент урана-238 было в два раза больше, чем сейчас, потому что его период полураспада совпадает в точности с возрастом Земли, то есть 4,5 миллиарда лет. Тория тоже было больше. Еще находились естественные цепочки, которых сейчас уже не существует. Они уже распались, их период полураспада намного меньше, чем возраст Земли. И тогда Земля действительно сильно разогревалась, значит, она могла быть расплавленной. Если она расплавилась, то потом, когда остывала при образовании коры, кора впитала в себя так называемые литофильные элементы. А к ним относятся как раз уран, торий и калий. И тогда, согласно этой модели, у нас внутри Земли не должно было остаться ни урана, ни тория, ни калия.

Но существует альтернативная теория или модель Земли. Обычно современная господствующая теория их отвергает, но, чтобы это проверить, мы должны зарегистрировать нейтрино. Если оно покажет, что внутри Земли находятся уран и торий, то, возможно, права вторая теория. Она сейчас не очень популярна, я не буду ее излагать. Но можно сказать, что эта теория основывается на том, что состав планет несколько различается. Хотя они образованы из одного и того же вещества, но в процессе образования планет уже существовало магнитное поле у Солнца, и оно могло разделять изотопы. Там вещество частично существует в виде плазмы, потому что происходит ионизация за счет радиоактивных элементов, за счет света от Солнца, за счет рентгеновского излучения. Поэтому оно всегда в частично ионизованном состоянии. Когда такое газообразное вещество из любых элементов, то возникает процесс, что наблюдается в магнитных спектрометрах, когда движущиеся по радиусу ионы могут захватываться на различных оболочках, на различных орбитах. И тогда происходит разделение этого вещества. То есть тогда у нас Марс, например, должен содержать меньше элементов, у которых небольшой потенциал ионизации. А Земля содержит больше таких элементов.

Основываясь на этой гипотезе, сформулировали альтернативную модель Земли, которая по химическому составу отличается от общепринятой на сегодняшний день. И тогда возникает вопрос: была ли Земля расплавленной? Потому что в момент гравитационного сжатия, когда образуется планета, она необязательно расплавляется. Могут происходить фазовые переходы. Когда вещество сжимается, происходит фазовый переход, который может вызывать поглощение энергии, причем в очень больших объемах и с большой эффективностью. В таком случае Земля, может быть, не была расплавлена, как представляет современная модель. И если так было, тогда в центре Земли может оказаться вещество в том же состоянии, в каком оно было при образовании Земли. И тогда мы должны увидеть в центре Земли как раз наличие радиоактивных элементов.

И мы делали расчеты, потому что современная модель располагает уран, торий и калий только в коре, и эти расчеты и предсказания не противоречат измерениям, которые были сделаны детекторами KamLAND и Borexine. Однако, если добавить такое же количество тория и урана в центр Земли, оказывается, что эффект от нейтрино примерно такой же или на 5% больше. Но при точности измерений, которая на сегодняшний день существует, этого увидеть невозможно. Чтобы проверить эту гипотезу, нам необходимо построить большой детектор с массой около 10 килотонн. И такой детектор с очень чистым сцинтиллятором сможет в течение десяти лет набрать необходимую статистику, которая позволит сделать вывод, например, о концентрации в Земле урана и тория, то есть об отношении концентраций.

Сегодня отношение концентрации тория к концентрации урана составляет 3,9, то есть это даже точнее, чем 4, но эта цифра основывается на измерениях содержания урана и тория в коре Земли и на анализе хондритовых метеоритов, которые попали на Землю примерно в 1950-е годы. Тогда был проведен целый цикл исследований. И на этих цифрах основывается предсказание для Земли. Нужна статистика порядка четырех-пяти тысяч событий, чтобы увидеть спектр антинейтрино от урана и тория, которые в ходе измерений слиты воедино, но мы можем по форме этого спектра определить, какое соотношение между ураном и торием.

Если удастся зарегистрировать, выделить или хотя бы дать ограничение на поток антинейтрино от изотопа калия-40, то это нам дает сразу же в руки мощные значения для теплового потока Земли. Тогда мы сможем мониторировать этот поток и предсказывать, видеть, увеличивается этот поток или уменьшается в какие-то годы, предсказывать явления на поверхности Земли и как-то успевать их предотвратить или принимать меры для защиты людей от катаклизмов.