Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

В те времена наука еще не знала о ядерных реакциях – именно они, как нам сегодня известно, обеспечивают горение Солнца. Кроме того, еще не была открыта радиоактивность, под действием которой подогреваются горные породы. Следовательно, оценки Томпсона получились заниженными, так как не учитывали этих источников энергии. Сегодня возраст Земли и Солнечной системы известен с большой точностью благодаря радиометрической датировке древних горных пород и метеоритов, мы имеем более реалистичную оценку: возраст Земли составляет около 4,5 млрд лет, и этого более чем достаточно для кардинальных геологических изменений и масштабной биологической эволюции.

Однако геофизики до сих пор не могут определить, какая часть земного тепла выделяется в результате распада радиоактивных элементов, а какая обусловлена постепенным остыванием нашей планеты, которая когда-то была огненным шаром. Считается, что большая часть естественной теплоты нашей планеты связана с делением ядер урана и тория, однако точные запасы этих элементов до сих пор не известны, поскольку они сильно рассеяны в земных недрах. Таким образом, сегодня мы гораздо полнее представляем себе состав Солнца, чем состав Земли.

Сегодня благодаря современным высокочувствительным детекторам ученые могут зондировать недра нашей планеты, наблюдая за антинейтрино, образующимися в ходе распада радиоактивных ядер в земных породах. Технические возможности для этого появились недавно, но сама идея подобных исследований не нова. Еще в 1953 г. в письме Фредерику Рейнесу известный физик и специалист по космологии Георгий Гамов указывал, что существует возможность обнаружить нейтрино земного происхождения. Позже, в начале 1980-х, трое других физиков – Лоренс Краусс, Шелдон Глэшоу и Дэвид Шрамм – подробно рассчитали, сколько нейтрино должно образовываться в земной коре каждую секунду. «Воодушевившись замечательными экспериментами, которые позволили открыть солнечные нейтрино… мы с коллегами стали размышлять о других естественных источниках нейтрино. Один из них оказался буквально у нас под ногами, – вспоминает Краусс. – Когда мы подсчитали, сколько таких нейтрино могут образовываться в результате распада радиоактивных элементов, находящихся в Земле, у нас получилось почти такое же большое число, как примерное количество нейтрино, прилетающих на Землю с Солнца, даже в низкоэнергетическом спектре». Он добавляет: «Мы также осознали, что перед нами стоит гораздо более сложная задача, чем перед Дэвисом, пытавшимся обнаружить солнечные нейтрино (не говоря о том, насколько труднодостижима была и его цель). Вот мы и написали статью, в которой предположили, что такое исследование никогда не будет проведено».

Трое коллег-физиков показали, что, в принципе, антинейтрино позволят нам заглянуть глубоко в недра Земли и способны немало сообщить о составе нашей планеты, поскольку количество частиц, испускаемых каждую секунду, непосредственно характеризует общую радиоактивность Земли. Поэтому при наблюдении таких нейтрино, образующихся в горных породах (сегодня они называются «геонейтрино»), можно определить количество урана и тория в земной коре и глубже – в мантии.

А теперь перенесемся в Японию на два десятилетия вперед. В 2005 г. с помощью детектора KamLAND, изначально построенного для проведения экспериментов, связанных с физикой частиц, впервые обнаружили геонейтрино, предсказанные еще Гамовым. Удалось зафиксировать всего 25 таких нейтрино, но это было очень важное достижение. Ацуто Судзуки, спикер коллаборации KamLAND, объявил об этом в пресс-релизе, выразившись так: «Теперь у нас есть диагностический инструмент, позволяющий заглянуть в недра Земли. Впервые можно утверждать, что для нейтрино нашлось практическое применение за пределами физической науки».

Прошло еще пять лет, прежде чем эксперимент Борексино, проводимый в Италии, дал независимое подтверждение открытию японских ученых. К 2011 г. команда KamLAND улучшила свою статистику, зафиксировав более 100 геонейтрино – это удалось сделать, усовершенствовав детектор. Очень кстати пришлась и неожиданная остановка расположенных поблизости ядерных реакторов – ведь они порождают очень много нейтрино, чем осложняют наблюдения за геонейтрино.

Исходя из количества геонейтрино, которые удалось обнаружить, ученые заключают, что в результате распада радиоактивных элементов Земля генерирует около 20 ТВт (тераватт) тепловой энергии в секунду (для сравнения: общее количество энергии, потребляемой человечеством, составляет до 15 ТВт). Ученые также могут рассчитать, сколько всего тепла отдает наша планета (для этого измеряется температура на дне буровых скважин). Суммарно наша планета выделяет около 44 ТВт. Таким образом, на радиоактивный распад приходится менее половины этой величины. Оставшаяся энергия генерируется в результате остывания нашей планеты – то есть эта энергия сохранилась со времен формирования Земли. Подобные результаты опровергают геофизические модели, согласно которым наша планета уже потеряла все свое первозданное тепло и в настоящее время подогревается только от радиоактивного распада.

Более точные эксперименты позволят ученым подробнее изучить состав основных земных пород и проверить различные сценарии их формирования. Кроме того, физики надеются узнать, какую роль тепловая энергия радиоактивного распада играет в тектонике плит (и играет ли вообще). Тектоника плит – это медленное движение крупных фрагментов земной коры, в результате которого формируются очертания континентов и образуются горные хребты. Георг Раффельт отмечает: «Благодаря буровым скважинам, землетрясениям и вулканам мы получаем сведения о поверхностных слоях земной коры, но нейтрино позволят нам заглянуть гораздо глубже. Они подскажут, правильно ли мы понимаем структуру Земли».

Готовится запуск детектора геонейтрино в нейтринной обсерватории Садбери на севере канадской провинции Онтарио. Эта установка, называемая SNO+, будет самой глубокой в мире, расположенной более чем в 2 км под землей, и в настоящий момент – самой чувствительной. Огромная глубина позволяет минимизировать помехи, возникающие из-за прилетающих на Землю космических лучей и осложняющие поиск нейтрино. Кроме того, SNO+ находится вдали от каких-либо атомных электростанций, поэтому, в отличие от KamLAND, в этой лаборатории не приходится отсеивать потоки реакторных нейтрино, перекрывающие и без того едва уловимый геонейтринный сигнал. Планируется создание и других детекторов, в частности, Low-Energy Neutrino Astronomy – LENA (Низкоэнергетическая нейтринная астрономия)[40] в Европе и India-based Neutrino Observatory, INO (Индийская нейтринная обсерватория). Эти научные комплексы также подключатся к ловле геонейтрино. Кроме того, Джон Лирнид из Гавайского университета продвигает идею создания антинейтринной обсерватории на дне Тихого океана. Такая обсерватория, выстроенная на тонкой океанической коре, сможет точнее материковых детекторов измерить вклад мантии в общий тепловой баланс Земли. Согласно современным теориям, уран и торий распределены в мантии практически равномерно, но Лирнид в этом сомневается. Например, отмечает он, эти элементы могут быть сконцентрированы на границе между земной корой и мантией. Данные, полученные из разных уголков земного шара, позволят геофизикам картировать распространение этих элементов, чтобы лучше понять природу земной радиоактивности.