Нейтринний експеримент Borexino, який вперше зловив земні нейтрино п'ять років тому, зайнявся вивченням їхньої спектроскопії. Нові дані не тільки уточнили внесок радіоактивності в тепловий баланс Землі, але і довели, що радіогенне тепло йде і від земної кори, і з мантії. Стаття колаборації Borexino з'явилася в архіві препринтів Корнельського університету кілька днів тому і спрямована на публікацію.
Нейтрино - надлегкі і практично невловимі частинки - не тільки потрапляють на Землю з космосу, але і народжуються прямо в земних надрах, в результаті розпаду урану, торію, і калію. Це «нейтринне світіння» Землі саме по собі ні на що не впливає, але воно несе інформацію про те, скільки радіогенного тепла виділяється в ході цих розпадів. З точки зору теплового балансу, Земля - це величезна пічка, що виводить назовні через всю свою поверхню приблизно 47 терават тепла. Однак до недавнього не було відомо, яку частину цього потоку породжує радіоактивність, а яка припадає на залишкове тепло Землі. Оцінки радіогенного вкладу варіювалися від 4 до 40 терават, і уточнити їх без прямого виміру не представлялося можливим.
Єдиний спосіб визначити цей внесок безпосередньо - це зловити геонейтрино і виміряти їх потік. Земні нейтрино, а точніше антинейтрино, народжуються при розпаді ізотопу урану або торію не безпосередньо, а в ході бета-розпаду довгоживучих вторинних ізотопів. Процес цей вивчений в лабораторії (зокрема, для потреб ядерної енергетики), тому відомий зв'язок між енерговиділенням в одному розпаді і кількістю і енергією вилітають при цьому нейтрино. Земля для нейтрино прозора, і всі нейтрино, що народилися в земних надрах, вільно виходять назовні. Тому якщо вдасться зареєструвати і виміряти геонейтринний потік, це дозволить оцінити радіогенну складову власного тепла Землі.
Детектувати нейтрино дуже важко через виняткову рідкість подій і через необхідність екранувати детектор від усіляких фонових процесів. У разі геонейтрино є і додаткова складність: порівнянний із земним потік антинейтрино йде також з усіх ядерних реакторів. Напрямок приходу нейтрино з такою невеликою енергією встановити нереально. Тому для надійного вимірювання геонейтринного потоку потрібно не тільки щось зловити, але і точно знати, скільки нейтрино потрапляє в детектор з усіх навколишніх реакторів - причому оцінювати це потрібно з урахуванням нейтринних осциляцій.
Перше достовірне повідомлення про реєстрацію геонейтрино було зроблено в 2010 році міжнародним колективом, що проводили експеримент Borexino в італійській підземній Національній лабораторії Гран-Сассо. Антинейтрино в цьому детекторі реєструються за допомогою зворотного бета-розпаду. Антинейтрино налітає на протон і народжує позитрон і нейтрон; позитрон тут же аннігілює і породжує спалах світла (швидкий відгук), а нейтрон блукає мілісекунду, захоплюється ядром, і породжує гамма-квант (затриманий відгук). Завдяки цій двоступеневій технології детектування, а також жорстким правилам відсіву сторонніх подій, практично кожна зареєстрована подія в Borexino була викликана або геонейтрино, або реакторним нейтрино. Відокремивши реакторний внесок, дослідники змогли побачити в 2010 році приблизно 10 геонейтрино.
У новій статті колаборації Borexino повідомляється про результати обробки даних вже за шість повноцінних років спостережень. За цей час було накопичено 77 подій, що пройшли всі стадії відбору. Фонових подій серед них - не більше одного, що є видатним технічним досягненням для такого типу експериментів. Приблизно третина з них повинна становити геонейтрино, а залишок - реакторні. Для того, щоб відокремити одне від іншого, дослідники не просто підрахували кількість нейтрино, а й вивчили їх спектр, тобто побудували їх розподіл по енергії.
Реакторні нейтрино в середньому більш енергетичні, ніж геонейтрино. Більш того, спектр торієвих і уранових геонейтрино теж злегка розрізняється. Тому нейтринний спектр, отриманий Borexino, дозволив не тільки виділити геонейтрино, але і приблизно розділити їх за походженням. Це, в свою чергу, дозволило безпосередньо оцінити співвідношення торію до урана в земних надрах. Досі це ставлення оцінювалося побічно, виходячи з загальної теорії виникнення Землі. Зараз наземний експеримент вперше дозволив зазирнути вглиб Землі і зміг практично в реальному часі виміряти це співвідношення. Воно виявилося приблизно вдвічі більше оціночного; правда, через великі похибки ні про яку розбіжність з теорією мови поки не йде.
Нові дані дозволили також уточнити загальний внесок урану і торію в радіогенне тепло Землі. Він становить від 23 до 36 терават, а з урахуванням калію-40, який цим детектором не реєструється, виходить значення, близьке до повної потужності. Більше того, завдяки уточненим числам вперше вдалося розділити радіогенне тепло за походженням: виявилося, що приблизно половину дає мантія, і половину - вся земна кора. Це перша пряма реєстрація того факту, що в мантії теж активно виробляється радіогенне тепло.
Технологія детектування геонейтрино в Borexino настільки добре працює, що зараз єдиними обмежувальними факторами є лише розміри детектора і час накопичення даних. Якщо вдасться побудувати більш масштабну версію тієї ж установки, це відкриє нові можливості для точних геофізичних досліджень. В цілому, вивчення земних надр за допомогою геонейтрино - це один з численних прикладів прикладних завдань, які вдається вирішувати завдяки технологіям, створеним для вивчення елементарних частинок.