Svět staví dva detektory schopné registrovat geoneutrina - částice generované radioaktivním rozpadem ve vnitřku Země. To pomůže pochopit mechanismus vzniku hlubokého tepla a v budoucnosti - předvídat přírodní katastrofy. Možná „pozemská neutrina“také objasní otázku, jak přesně naše planeta vznikla.
Antineutrina vyzváni k odpovědnosti
Neutrina a antineutrina jsou elementární částice, které byly dlouho považovány za nepolapitelné. Vznikají během rozpadu beta, což je typ jaderného štěpení. Na Zemi je produkují jaderné reaktory.
Přirozená neutrina pocházejí ze Slunce v důsledku samonosných termonukleárních reakcí. Rodí se v atmosféře pod vlivem kosmických paprsků. Ve vesmíru se nesou reliktní neutrina, která se objevila v prvních okamžicích Velkého třesku. A nakonec zdrojem neutrin jsou radioaktivní izotopy rozptýlené v útrobách planety.
Myšlenka využití antineutrin k testování geologických hypotéz vznikla u fyziků v 60. letech minulého století. Poprvé byly zaregistrovány až v roce 2005 na podzemním detektoru KamLAND (Japonsko) jako vedlejší výsledek studie slunečních neutrin. V roce 2010 byla existence částic spolehlivě potvrzena v experimentu Borexino v Itálii.
Pozemská antineutrina pomohou odhalit základní tajemství vědy: kolik radioaktivních prvků je ve vnitřku planety a kde jsou lokalizovány, kolik tepla generují, které modely struktury a složení Země jsou více v souladu s pozorováním.
To však není tak snadné: hmota je pro neutrina transparentní (což se odráží v názvu částice). Částice se neúčastní elektromagnetických a silných interakcí, téměř necítí gravitaci, reagují pouze na slabé síly působící na váhy menší než průměr protonu. Neutrino může létat ve vesmíru desítky světelných let, pronikat hvězdami, oblaky plynu, planetami a nikdy se nesrazí s žádnou jinou částicí.
Za celé období zaregistrovali Borexino a KamLAND signály od asi 190 geoneutrin-produktů rozpadu uranu-238 a thoria-232. Na jedné straně je to důkaz, že je možné přímé pozorování toku pozemských neutrin a předběžná data jsou v souladu s obecně uznávanými geologickými modely; na druhou stranu tato statistika na jednoznačné vědecké závěry nestačí. Sbírání v existujících experimentech bude trvat stovky let.
Beta rozpad přeměňuje neutron v atomovém jádru na proton. To je doprovázeno emisí elektronu a antineutrina. Energie elektronu se mění v tepelnou energii a antineutrino, bez interakce s čímkoli, je unášeno do vesmíru
Obří detektory ve službách geofyziků
Detektory Borexino a KamLAND jsou obrovské nádrže naplněné kapalnými uhlovodíky, které fungují jako scintilátor. Při interakci s neutriny vyzařují fotony, které jsou registrovány fotonásobiči. Zařízení jsou umístěna v dolech hluboko pod zemí, aby se omezily účinky kosmického záření.
Rozestavěné detektory budou fungovat na stejných principech jako ty současné. Aby bylo možné zaregistrovat více událostí, hmotnost scintilátoru se výrazně zvýší a kapalina samotná bude očištěna od radioaktivních nečistot (uhlík-14, radon), které vytvářejí hluk. Kromě toho je důležité umístit detektory co nejdále od provozovaných jaderných reaktorů.
Jedno ze zařízení, SNO +, je ve výstavbě na observatoři Sudbury Neutrino v Kanadě. Už se začala plnit kapalným scintilátorem. V jižní Číně se staví největší 20kilový detektor na světě určený mimo jiné pro studium pozemských neutrin - JUNO. Statistiky začne sbírat do roku 2021.
Diskutuje se o vývoji velkého scintilačního detektoru s cílovou hmotností deset kilotun na Baksanské neutrinové observatoři INR RAS na severním Kavkaze.
Jak píší autoři projektu, „geografické rysy umístění observatoře umožňují výrazně potlačit pozadí spojené s antineutrinovými toky z provozních reaktorů jaderných elektráren a registrovat antineutrino toky, které nesou informace o struktuře zemská kůra v této oblasti. “
Detektor neutrin SNO + v Kanadě
Co zahřívá útroby planety
Za přirozenou radioaktivitu Země je zodpovědných 34 izotopů s dlouhou životností, největší podíl mají pouze tři: uran-238, thorium-232 a draslík-40. Podle obecně uznávaného modelu Země - křemičitanu (Bulk Silicate Earth) - je většina radionuklidů obsažena v horním plášti Země - litosféře, asi polovina z nich je rozptýlena v plášti a prakticky žádná v jádru.
Toto rozdělení radionuklidů bylo důsledkem vzniku planety. Bezprostředně po narození z hustého oblaku plynu a prachu byla Země roztavená koule. To bylo usnadněno dvěma podmínkami: velmi vysokým obsahem radionuklidů (zejména pak tam bylo dvakrát tolik uranu-238, jeho poločas rozpadu se rovná délce života Země-4,5 miliardy let) a intenzivním bombardováním meteority.
Když se ochladilo, hmota planety začala stratifikovat. Železo a nikl se ponořily dovnitř a vytvořily jádro, nahoře nahromaděná silikátová tavenina, která absorbovala litofilní prvky, včetně draslíku, thoria a uranu.
Během rozpadu beta se energie přenášená elektrony přeměňuje na teplo a antineutrina přenášejí svou část energie do vesmíru. Pokud znáte jejich parametry, můžete vypočítat koncentraci mateřských radionuklidů v kůře a plášti a objasnit, kolik tepla generují.
Zdroje vnitřního tepla planety. Obecně přijímaný model Země uvádí, že radionuklidy jsou rozptýleny v zemské kůře a plášti a v jádru chybí.
Aktuální odhady celkového tepelného toku Země a podílu každého ze zdrojů se velmi liší v závislosti na metodě výpočtu. V průměru je příspěvek radiogenního tepla asi 20 procent. Zbytek je způsoben sekulárním ochlazením pláště (který byl původně roztaven a od té doby chladne) a teplem jádra planety.
V důsledku vnitřních zdrojů tepla dochází ke směšování (konvekci) pláště, tvoří se chocholy a v důsledku toho se na povrchu planety projevuje tektonická aktivita: pohyb desek v zemské kůře, tvorba velkých zlomů a hor systémy, zemětřesení a vulkanismus.
Dalším zásadním úkolem je stanovit poměr izotopů thoria a uranu. Analýza chondritových meteoritů a srovnání vzorků odebraných v zemské kůře umožnilo vypočítat, že thorium-232 je 3, 9krát více než uran-238. K pochopení raného vývoje Země je zapotřebí přesný odhad, který lze získat studiem geoneutrin.
Předběžná vypočítaná hmotnost thoria a uranu v kůře a plášti nevysvětluje celý radiogenní tepelný tok. V tomto ohledu se v 90. letech objevila hypotéza, že v počátečním stádiu vzniku Země vstoupila část radionuklidů do jádra. Tento přirozený georeaktor je zdrojem energie pro oblaky pláště a magnetické pole planety. Tento předpoklad pomůže ověřit detektor JUNO.
Kam zmizel draslík-40?
Při výpočtech tepelného toku planety se příspěvek z rozpadu draslíku-40 obvykle nebere v úvahu. Věří se, že je to řádově menší než uran-238 a thorium-232, a to vše je soustředěno v zemské kůře. Podle vědců z INR RAS a INEOS RAS se však tyto předpoklady mohou ukázat jako chybné.
Používají alternativu, odmítnutou vědeckou komunitou, model původně hydridové Země, založený na skutečnosti, že složení planet je ovlivněno jejich vzdáleností od Slunce. Zásadní rozdíl mezi tímto modelem a obecně přijímaným modelem je ten, že umožňuje obsah radionuklidů v jádru a hmotnost draslíku-40 je o dva řády větší než hmotnosti uranu a thoria. Díky tomu se celkový tepelný tok ukazuje být obrovský - asi 304 terawattů proti 47 terawattům vypočítaných z měření v superhlubých studních.
Podle autorů článku mohou pozorování geoneutrin tento paradox vyřešit a ověřit model původně hydridové Země. Kromě toho je kriticky důležité izolovat signál od rozpadu draslíku-40. Dosud to však stávající technologie neumožňují.