Обзорная статья о нейтринной геофизике
Нейтринная геофизика – новая быстро развивающаяся область науки на стыке геологии, геофизики и физики частиц – изучает внутреннее строение Земли посредством измерения потока геонейтрино на ее поверхности. Геонейтрино - антинейтрино, образующиеся в распадах элементов из цепочек радиоактивных распадов урана и тория, а также калия-40 и рубидия-87 в коре и мантии Земли. Распады радиоактивных элементов вносят значительный вклад в нагрев планеты. Механизм генерации тепла в недрах Земли является фундаментальной проблемой геологии. Обработка измерений теплового потока в разных точках Земли показала, что полный поток тепла составляет около 50 ТВт. Выделяющееся тепло вызывает конвективные потоки в жидкой земной мантии, влияющие на вулканическую активность и на движение тектонических плит, и, как следствие, на сейсмическую активность земной коры. Магнитное поле Земли, объясняемое так называемым механизмом геодинамо, также обусловлено тепловыделением в недрах. Таким образом, радиогенный вклад в полное тепловыделение Земли является важным параметром, определяющим тепловую историю Земли, и, соответственно, ограничивающим геофизические модели Земли.
Выделение тепла в процессе радиоактивных распадов сопровождается излучением нейтрино, поэтому измерение геонейтринных потоков позволит косвенно определить радиогенный вклад в полное энерговыделение Земли. Первая реалистичная оценка потоков геонейтрино была приведена в работе венгерских физиков Дж. Маркса и Н. Меньярд в 1960 г. Немного позднее важность изучения геонейтрино в связи с проблемой тепловыделения в Земле была отмечена Дж. Эдером, работа Дж. Маркса, посвященная нейтринной геофизике, вышла в 1969. Современное теоретическое изучение проблемы началось с работы Л.М. Краусса, С.Л. Глэшоу и Д.Н. Шрамма в 1994 г. Об экспериментальном указании на присутствие геонейтринного сигнала впервые было заявлено в 2005 г. японо-американской коллаборацией KamLAND на основании данных, полученных на детекторе в шахте Камиока в Японии. Первое надежное подтверждение ненулевого геонейтринного потока было опубликовано в 2010 году коллаборацией Borexino.
На сегодня точность измерения потока геонейтрино недостаточна для достоверного различения геофизических моделей. Доминирующий вклад в геонейтринный сигнал вносят антинейтрино из коры, их поток сравнительно хорошо предсказуем, так как состав земной коры доступен для непосредственных измерений. Разница между полным геонейтринным сигналом и сигналом от коры обусловлена сигналом от мантии, чувствительным к модели. Статистическое вычитание двух близких величин приводит к низкой значимости выделяемого сигнала от мантии. Для детального изучения вклада радиоактивных элементов в разогрев Земли необходимы измерения от нескольких детекторов подобных Borexino, расположенных в различных точках земного шара. В частности, обсуждается создание геонейтринного детектора в подземной лаборатории на Баксане в России. Методика, отработанная на Borexino, уже дала жизнь новым проектам масштаба десятков килотонн, нацеленным в том числе на измерение геонейтринного потока, как, например, детектор JUNO в Китае.
Выше фотография модели Земли в разрезе (Эд Гарнео, Университет штата Аризона). Более 30 лет ученые знают об областях размером с континент во внутренней части Земли, расположенных на границе мантии и ядра (выделены красным цветом). Изучение потоков геонейтрино может помочь в разгадке происхождения этих неоднородностей в толще Земли.
