Землю просветят с помощью нейтрино
Впервые удалось зарегистрировать нейтрино, которые рождаются при распаде радиоактивных элементов, скрытых глубоко под земной поверхностью. Об этом в своей статье, опубликованной в журнале Nature, сообщают 87 исследователей из Японии, Соединенных Штатов, Франции и Китая. Результаты этих измерений со временем позволят оценить долю радиоактивных процессов в общем тепловом балансе нашей планеты. В более удаленной перспективе такие эксперименты дадут возможность получать важнейшую информацию о химическом составе земных недр.
Откуда берутся "глубинные" нейтрино и зачем вообще нужно изучать эти частицы? Хорошо известно, что наша планета излучает в космическое пространство куда больше тепла, нежели получает от Солнца. Разница между тотальной мощностью тепловой отдачи нашей планеты и ее солнечной компонентой по последним данным составляет 31 миллиард киловатт. Часть этого теплового потока берет начало в земном ядре, которое сильно нагрелось в процессе формирования планеты из материнского газопылевого облака и теперь постепенно остывает. Другая основная компонента подземного тепла обязана своим возникновением распаду нестабильных изотопов, сосредоточенных в коре и мантии. Есть еще кое-какие мелкие добавки, скажем, тепло, рожденное действием приливных сил, но в первом приближении их можно не брать в расчет.
Общая мощность теплового излучения радиоактивного происхождения пока известна лишь приближенно. Большинство специалистов полагает, что она составляет 18-19 миллиардов киловатт, однако не исключено, что такая оценка сильно занижена. Основные генераторы этого излучения хорошо известны. Это уран-238, торий-232 и калий-40. Распад первых двух изотопов дает львиную долю этого теплового потока, приблизительно 85%. По многим причинам геофизикам очень важно точно выяснить, сколько именно тепла выделяется при радиоактивных распадах и какова в этом балансе доля урана, тория и калия. Чтобы получить эти цифры, надо найти способ регистрировать на поверхности Земли какие-то материальные следы этих ядерных реакций.
В теории такая возможность очевидна, на практике же - трудноосуществима. И уран, и торий претерпевают цепочки превращений, которые в конечном счете приводят к рождению стабильных изотопов свинца с атомными весами 206 и 208. В ходе этих трансформаций возникают многочисленные тяжелые осколки, которые так и остаются в глубинах Земли. Однако некоторые из этих распадов приводят к появлению нейтрино, которые почти не взаимодействуют с другими частицами и поэтому с легкостью пронизывают всю толщу земного шара. Если быть точным, в этих процессах рождаются не нейтрино, а их античастицы, антинейтрино (точнее говоря, электронные антинейтрино). Распад радиоактивного калия идет двумя путями и заканчивается возникновением либо кальция, либо аргона, причем в обоих процессах опять-таки рождаются электронные антинейтрино. Происхождение этих частиц отражено в их названии - на профессиональном жаргоне они именуются "геонейтрино".
Аппаратура для регистрации нейтрино существует уже много лет, в том числе и в России. Большинство этих приборов рассчитано на учет высокоэнергетических нейтрино космического происхождения, а геонейтрино обладают довольно низкими энергиями. В Японии же имеется уникальный нейтринный детектор KamLAND, которому по плечу и эта задача. Правда, геонейтрино калиевого происхождения слишком медленны и для него, однако нейтринные осколки уранового и ториевого распада он уже способен заметить.
KamLAND - это сокращение от Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector, Жидкостный сцинтиллирующий антинейтринный детектор Камиока. Установлен в шахте Камиока, прорытой на километровой глубине в толще горы Икенояма, расположенной неподалеку от города Тояма на острове Хонсю. Сердце детектора - прозрачный пластиковый баллон тринадцатиметрового диаметра, содержащий тысячу тонн жидких углеводородов. Баллон подвешен внутри восемнадцатиметровой стальной сферы, на стенках которой размещены 1879 фотоумножителей. Сигналы от этих приборов поступают на центральный компьютер. Пространство между внешней сферой и пластиковым танком заполнено прозрачной парафиновой смесью, экранирующей детектор от всякого рода фоновых излучений.
Детектор KamLAND начал действовать всего три с половиной года назад. Несмотря на молодость, прибор уже получил большую известность в научном мире. В первые же месяцы работы он позволил обнаружить нейтринные осцилляции, которые были давно предсказаны теоретиками, но никак не поддавались экспериментальной проверке. Термином "нейтринные осцилляции" принято обозначать превращение электронных нейтрино в нейтрино двух других разновидностей, мюонные и тау. Наличие таких переходов показывает, что нейтрино имеют ненулевую массу покоя, а это результат исключительной важности. Так что детектору KamLAND повезло прославиться прямо-таки в раннем детстве.
И вот теперь - новое достижение. За два с половиной года наблюдений на этом приборе было обнаружено где-то от одного до четырех десятков электронных антинейтрино как раз тех энергий, которые испускаются при распаде урана и тория.
Геонейтрино, как и любые нейтрино, сталкиваются с более тяжелыми частицами чрезвычайно редко, но все же такое случается. Когда электронные антинейтрино пролетают через шаровой танк, они иногда наталкиваются на протоны, ядра водорода. В результате каждого такого соударения возникает один нейтрон и один позитрон, который тут же аннигилирует с ближайшим электроном. Эта аннигиляция рождает пару гамма-квантов, которые регистрируются фотоумножителями. Новорожденный нейтрон живет чуть дольше, а затем тоже встречается с протоном. При этом образуется ядро дейтерия и еще один гамма-квант, который опять-таки замечают фотоумножители. Для таких кратковременных вспышек у физиков есть термин "сцинтилляции" (от латинского слова scintillatio, мерцание), отсюда и название детектора.
Технология этих измерений очень сложна, отсюда и столь сильный разброс результатов. Выявление максимум одного геонейтрино в месяц вроде бы не впечатляет, однако, если подумать, свидетельствует о непомерных технических сложностях регистрации этих неуловимых частиц. Пока что ученые собрали слишком мало данных для достаточно точной оценки тепловых потоков от распадов урана и тория, однако лиха беда начало. Детектор KamLAND продолжает действовать и накапливать новую информацию. На будущий год в Италии запустят такой же прибор, который будет работать в паре с японским собратом. А когда аналогичные установки появятся и в других регионах, откроется путь к нейтринному сканированию земных недр в разных сечениях, своего рода нейтринной томографии нашей планеты. До сих пор такие "просвечивания" можно было проводить только с помощью сейсмографической аппаратуры, а ее возможности довольно ограничены. Так что нейтринная томография земных недр - голубая мечта геофизиков и геологов.
Источник:
T. Araki et al.
Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND
Nature 436, 499-503 (28 July 2005)
Справка
Нейтрино -
электрически нейтральная частица со спином 1/2, то есть относится к фермионам. Принадлежит к классу легких частиц - лептонов. Нейтрино и антинейтрино имеют по три различных типа или "аромата", электронное, мюонное и тау-нейтрино. При взаимодействии с другими частицами нейтрино превращаются в соответствующий заряженный лептон. В отрицательные лептоны превращаются левые нейтрино, то есть, имеющие спиральность l = -1/2. Правые нейтрино являются античастицами к левым нейтрино.
Частица была "придумана" швейцарским физиком Вольфганом Паули в 1930 году для того, чтобы спасти закон сохранения энергии, так как последние эксперименты по изучению бета-распада указывали на его нарушение. Чтобы урегулировать перекос между теорией и практикой, Паули ввел гипотетическую электрически нейтральную частицу. Частицу назвали нейтрон. Однако после открытия в 1932 году другой массивной нейтральной частицы, которую мы сейчас знаем под этим именем, Энрико Ферми предложил переименовать частицу в нейтрино - по-итальянски "нейтрончик".
Нейтрино столь плохо взаимодействуют с другим веществом, что могут беспрепятственно пролететь сквозь стену, простирающуюся от Земли до Луны. Они рождаются, например, в ходе реакции ядерного синтеза, за счет которого горит Солнце и другие звезды. Антинейтрино же производятся в ходе расщепления атомных ядер на атомных электростанциях. В процессе расщепления атомного ядра на два меньших появляются радиоактивные ядра, которые распадаются, испуская электрон и антинейтрино.
Статьи по теме
Загадка солнечных нейтрино решена
Удалось обнаружить эффект "исчезновения" нейтрино. Этот эффект свидетельствует о том, что нейтрино имеют массу и могут осциллировать - то есть превращаться из одного типа в другой. Стандартная модель элементарных частиц, которая успешно использовалась фундаментальной физикой с 70-х годов прошлого века, требует серьезной модернизации.
Раз в 10 000 лет Земля купается в темной материи
Солнечная система в своем движении через космическое пространство может регулярно сталкиваться с чрезвычайно разреженными скоплениями экзотических элементарных частиц, сохранившимися со времен раннего детства Вселенной. Об этом свидетельствуют вычисления швейцарских физиков.
Юбилеи 2005 года: наука, медицина, техника
2005-й - год славных научно-технических дат. Юбилеи отмечают сейсмограф и катушка Румкорфа, старейшая карта и термометр Реомюра, сифилис и бледная спирохета. Но самая славная дата - столетие теории относительности.
Искусственное ускорение ядерного распада
Японским физикам впервые удалось заметно увеличить скорость естественного распада ядер радиоактивного элемента, не подвергая их никаким экстремальным воздействиям. Они сумели загнать атомы бериллия-7 во внутреннюю часть почти сферических шестидесятиатомных молекул углерода, так называемых фуллеренов. В результате электронная плотность в окрестности бериллиевых ядер возросла, что вызвало прирост темпа радиоактивного распада.
В ускоренном расширении Вселенной повинны нейтрино
Трое американских физиков-теоретиков предложили новую модель расширения Вселенной. По мнению этих ученых, существует еще не открытое силовое поле, кванты которого они предлагают называть акселеронами. Акселеронное поле вынуждает нейтрино отталкиваться друг от друга, благодаря чему они разлетаются и "растягивают" за собой космическое пространство. Из новой теории вытекает вполне определенный сценарий будущего мироздания.
Вселенная может оказаться старше
Вселенная может оказаться примерно на миллиард лет старше своего официального возраста. К такому выводу пришли физики из Италии и ФРГ. Их выводы основаны на измерении скорости цепочки термоядерных реакций, которые обеспечивают светимость горячих и ярких звезд, масса которых как минимум в два-три раза превышает массу нашего Солнца.
Датчик гравитационных волн уходит под землю
Гравитационные волны - это своего рода "рябь" в пространственно- временном континууме, которая возникает тогда, когда массивные космические тела испытывают ускорение (точнее говоря, гравитационные волны излучаются массами, движущимися с переменным ускорением). Альберт Эйнштейн предположил их существование в рамках своей Общей теории относительности еще в 1915 году. Двигаться гравитационные волны должны были со скоростью света. Однако эти волны очень слабы и их регистрация до сих пор находится на грани технических возможностей.
Найдено направление "космического ливня", устроившего потоп в Солнечной системе
Едва ли не самая интригующая проблема, с которой в свое время столкнулись исследователи космических лучей, - это необходимость объяснения так называемого "колена" в спектре первичного космического излучения - избытка высокоэнергичных частиц. До сих пор однозначного объяснения этот феномен не получил, но последние исследования все увереннее связывают эту аномалию не с особенностью "работы" галактических магнитных полей или физикой межзвездного пространства, а с тем, что нас, землян, просто угораздило родиться в относительной близости от мощного "ускорителя" частиц определенной энергии, изрядно "попортившего" астрофизикам картину мира.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
Физики открыли "мятежную" субатомную частицу
На линейном ускорителе в Стэнфорде идентифицировали новую субатомную частицу Ds (2317). Эта частица представляет из себя необычный "сплав" "очарованного" кварка и "странного" антикварка. Ее масса оказалась существенно ниже, чем можно было бы ожидать. В качестве альтернативы рассматривается и такая возможность: частица могла бы быть в новом, до настоящего времени невиданном состоянии - ассоциация четырех кварков.