В марте 2010 г. участники международного эксперимента "Борексино", реализуемого в подземной лаборатории Национального института ядерной физики Италии (INFN), расположенной в горном массиве Гран Сассо в центре Апеннин, зафиксировали геонейтрино - частицы, исходящие из магмы, окружающей земное ядро. Специалисты достоверно наблюдали антинейтринный сигнал с энергетическим спектром, соответствующим ожидаемому от бета-распадов радиоактивных элементов из цепочек урана-238 и тория-232. Таким образом, они впервые подтвердили радиогенный вклад нейтрино в тепло, производимое в недрах Земли. Статья исследователей на эту тему принята к публикации в журнале "Europhysics Letters" (EPL).

Участвующие в проекте сотрудники Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Юрий Горнушкин и Олег Смирнов сообщили в еженедельнике "Дубна: наука, содружество, прогресс" данные, полученные в ходе эксперимента. Заметим, вместе с ОИЯИ в нем принимают участие также РНЦ "Курчатовский институт", Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова (Москва) и Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова РАН. Среди зарубежных партнеров, кроме INFN, следует назвать университеты Милана, Генуи, Перуджи (Италия), Мюнхенский технический университет, Институт Макса Планка (Германия), Лабораторию астрочастиц и космологии Национального института ядерной физики и физики частиц (Франция), Ягеллонский университет (Краков, Польша), Принстонский университет и Политехнический институт штата Вирджиния (США).

Нейтрино - стабильные нейтральные частицы, слабо взаимодействующие с веществом. Их "типичными" источниками являются Солнце и космическое излучение. Однако физики предполагают: электронные антинейтрино могут испускаться и в недрах Земли в результате определенных процессов радиоактивного распада. Для того чтобы зарегистрировать их, необходимо тщательно изолировать детекторы от фонового излучения различной природы. Обычно их располагают под землей, к примеру, регистрирующий нейтрино "Борексино" находится на глубине около 1 км.

Сам детектор представляет собой стальной цилиндр, соединенный сверху сферой диаметром 16 м. Его внутренняя структура состоит из нескольких слоев и напоминает русскую матрешку. Внешний слой заполнен 2,4 тыс. т сверхчистой воды, защищающей прибор от естественной радиоактивности горных пород и материалов конструкции. Он же способен регистрировать и редкие космические мюоны, не поглощенные в тысячеметровой толще скал, окружающих подземную лабораторию. Следующий слой - стальная сфера, залитая 1000 т сверхчистого псевдокумола - углеводородного соединения, используемого для защиты центральной части детектора. Изнутри на поверхности сферы установлены 2200 фотоэлектронных умножителей - чувствительных датчиков, способных улавливать очень слабые вспышки света, происходящие при взаимодействии нейтрино. И, наконец, в центре всего сооружения находится прозрачный нейлоновый шар радиусом 4,25 м, содержащий 300 т сцинтиллирующей* жидкости. При "столкновении" с электроном этой органической субстанции нейтрино передает ему часть энергии, вызывая вспышку света, которую и фиксируют физики.

Регистрация "неуловимых" частиц, подчеркивают авторы, осложняется присутствием в той или иной степени в любых материалах естественных радиоактивных примесей, способных имитировать процессы нейтринного взаимодействия. Именно поэтому значительные усилия исследователи направили на подбор радиационно-чистых материалов для сооружения детектора и разработку новых технологий очистки жидкостей и газов от природных примесей до уровней, ранее казавшихся недостижимыми. Таким образом, в ходе продолжавшегося около 10 лет опыта удалось достичь существенных результатов. Сегодня центральная часть подземной установки "Борекси-

* Сцинтилляторы - среды, в которых под действием излучения возникают световые вспышки, так называемые сцинтилляции (прим. ред.).

но", где регистрируют нейтринные взаимодействия, - самый чистый материал на планете с точки зрения внутренней радиоактивности.

Ученые полагают: геонейтрино, образующиеся в распадах элементов урана и тория, а также калия-40 и рубидия-87, присутствующих в коре и мантии нашей планеты, вносят значительный вклад в нагрев ее недр. Выделяющееся тепло предположительно вызывает конвективные потоки в жидкой земной мантии, влияющие на вулканическую активность, движение тектонических плит и, как следствие, на сейсмическую активность коры. Глубинным тепловыделением, считают специалисты, обусловлено и магнитное поле Земли.

Механизм генерации тепла в недрах - фундаментальная проблема геологии, подчеркивают авторы. Впервые о важности изучения в связи с этим геонейтрино заговорили в 1960-х годах и у нас, и за рубежом. Скажем, известный специалист в области ядерной физики академик Моисей Марков тогда обратил внимание на возможность регистрации "неуловимых" частиц в реакции обратного бета-распада на протоне, используемой, кстати, в детекторе "Борексино". Однако современное теоретическое изучение проблемы началось лишь в 1994 г. с работы физиков из США Лоуренса Краусса, Шелдона Глэшоу и Давида Шрамма. В 2004 г. избыток низкоэнергетических антинейтрино над фоном засвидетельствовали также участники коллаборации "KamLAND" - японские и американские ученые, работающие с детектором подобного типа в шахте Камиока (Япония). Однако из-за высокого фона от внутренних источников радиоактивности и антинейтрино, исходящих от близко расположенных атомных электростанций и практически не отличимых от их "геологических собратьев", выводы членов этой группы были сдержанными: избыток регистрируемых событий (вспышек), писали они, лишь "указывает" на наблюдение геонейтрино.

В этом смысле массив Гран Сассо - более удачное место для "ловли" этих частиц, так как лаборатория расположена в центре Италии, не обладающей атомными станциями, и находится на достаточном удалении от европейских АЭС. Необходимо учитывать и другой фактор: уровень очистки применяемого в "Борексино" жидкого сцинтиллятора превышает аналогичные показатели любого другого детектора. Как следствие, фон для измерения геонейтринного сигнала там в 100 раз меньше.

Эксперимент в подземной лаборатории "Борексино", заключили авторы, подтвердил гипотезу о том, что радиоактивность вносит значительный, если не определяющий, вклад в разогрев Земли. Однако возможны и иные источники теплового эффекта, например, процесс гравитационной дифференциации земного вещества по плотности, приливное взаимодействие с Луной. Существовавшая же ранее точка зрения специалистов о естественном ядерном геореакторе в центре нашей планеты, продуцирующем значительную часть энергии, была отвергнута благодаря данным, полученным в Гран Сассо: мощность подобной природной "установки" в этом месте не может превышать 3 ТВт, иначе она вносила бы заметный вклад в общий сигнал детектора.

Для детального изучения вклада радиоактивных элементов в разогрев Земли, считают ученые, необходима сеть установок для нейтринного зондирования в различных точках земного шара. Сегодня они работают в Италии, Японии и в канадской провинции Онтарио (Нейтринная обсерватория Садбери). Специалисты ожидают в ближайшем будущем получить с их помощью информацию, которая позволит значительно продвинуться в понимании структуры нашей планеты и источников ее внутреннего тепла.

Горнушкин Ю., Смирнов О. "Эксперимент "Борексино" регистрирует нейтрино, рожденные в недрах Земли". - Еженедельник "Дубна: наука, содружество, прогресс", 2010, N 12 - 13

Материал подготовила Марина ХАЛИЗЕВА

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: