
Нейтринный эксперимент Borexino, впервые
поймавший земные нейтрино пять лет
назад, занялся изучением их спектроскопии.
Новые данные не только уточнили вклад
радиоактивности в тепловой баланс
Земли, но и доказали, что радиогенное
тепло идет и от земной коры, и из
мантии. Статья коллаборации
Borexino появилась в архиве препринтов Корнельского университета несколько дней назад и направлена на
публикацию.
Нейтрино — сверхлегкие и практически
неуловимые частицы — не только
попадают на Землю из космоса, но и
рождаются прямо в земных недрах, в
результате распада урана, тория, и калия.
Это «нейтринное свечение» Земли само
по себе ни на что не влияет, но оно несет
информацию о том, сколько радиогенного
тепла выделяется в ходе этих распадов.
С точки зрения теплового баланса, Земля
— это огромная печка, выводящая наружу
через всю свою поверхность примерно 47 тераватт тепла. Однако до недавнего
не было известно, какую часть этого
потока порождает радиоактивность, а
какая приходится на остаточное тепло
Земли. Оценки радиогенного вклада
варьировались от 4 до 40 тераватт, и уточнить
их без прямого измерения не представлялось
возможным. 
Единственный способ определить этот
вклад напрямую — это поймать геонейтрино
и измерить их поток. Земные нейтрино, а
точнее антинейтрино, рождаются при
распаде изотопа урана или тория не
напрямую, а в ходе бета-распада долгоживущих
вторичных изотопов. Процесс этот изучен
в лаборатории (в частности, для нужд
ядерной энергетики), поэтому известна
связь между энерговыделением в одном
распаде и количеством и энергией
вылетающих при этом нейтрино. Земля для
нейтрино прозрачна, и все нейтрино,
родившиеся в земных недрах, свободно
выходят наружу. Поэтому если удастся
зарегистрировать и измерить геонейтринный
поток, это позволит оценить радиогенную
составляющую собственного тепла Земли.
Детектировать нейтрино очень трудно
из-за исключительной редкости
событий и из-за необходимости
экранировать детектор от всевозможных
фоновых процессов. В случае геонейтрино
есть и дополнительная сложность:
сопоставимый с земным поток антинейтрино
идет также из всех ядерных реакторов.
Направление прихода нейтрино с такой
небольшой энергией установить нереально.
Поэтому для надежного измерения
геонейтринного потока требуется не
только что-то поймать, но и точно знать,
сколько нейтрино попадает в детектор
из всех окрестных реакторов — причем
оценивать это нужно с учетом нейтринных
осцилляций.
Первое достоверное сообщение о
регистрации геонейтрино было
сделано в 2010 году международным
коллективом, проводивших эксперимент
Borexino в итальянской подземной
Национальной лаборатории Гран-Сассо.
Антинейтрино в этом детекторе
регистрируются с помощью обратного
бета-распада. Антинейтрино налетает на
протон и рождает позитрон и нейтрон;
позитрон тут же аннигилирует и порождает
вспышку света (быстрый отклик), а нейтрон
блуждает миллисекунду, захватывается
ядром, и порождает гамма-квант (задержанный
отклик). Благодаря этой двухступенчатой
технологии детектирования, а также
жестким правилам отсева посторонних
событий, практически каждое зарегистрованное
событие в Borexino было вызвано или
геонейтрино, или реакторным нейтрино.
Отделив реакторный вклад, исследователи
смогли увидеть в 2010 году примерно 10
геонейтрино.
В новой
статье коллаборации Borexino сообщается
о результатах обработки данных уже за
шесть полноценных лет наблюдений. За
это время было накоплено 77 событий,
прошедших все стадии отбора. Фоновых
событий среди них — не более одного,
что является выдающимся техническим
достижением для такого типа экспериментов.
Примерно треть из них должна составлять
геонейтрино, а остаток — реакторные.
Для того, чтобы отделить одно от другого,
исследователи не просто подсчитали
количество нейтрино, но и изучили их
спектр, то есть построили их распределение
по энергии.
