Геонейтрино помогли сравнить недра Земли в трёх регионах, но карта мантии ещё не готова
Новые данные должен добавить китайский эксперимент JUNO. Его детектор с более чем 20 тысячами тонн сцинтиллятора начал работу в августе 2025 года; первые результаты по геонейтрино ожидаются в 2026 году.
По расчётам исследователей, за первый год JUNO может зарегистрировать больше этих частиц, чем Kamland, Borexino и SNO+ вместе за десятилетия. Сравнить площадки точнее помогут новые измерения и более подробные геологические модели вокруг каждого детектора.
Геохимик Уильям Макдоно предлагает ещё один способ уменьшить влияние земной коры: разместить детектор на дне океана, вдали от богатых радиоактивными элементами континентальных пород. Океаническая кора тоньше и однороднее, поэтому выделить сигнал мантии там было бы проще. Проект оценивают в сотни миллионов долларов, и государственного финансирования он до сих пор не получил. Различия между действующими площадками будут проверять по результатам JUNO и по мере накопления данных.
За десятилетия наблюдений учёные зарегистрировали лишь несколько сотен геонейтрино, рождающихся при распаде радиоактивных элементов внутри Земли. Теперь результаты детекторов в Японии, Италии и Канаде позволяют сравнить измерения в разных частях планеты. Исследователи надеются выяснить, одинаково ли распределены эти элементы в мантии, но погрешности ещё слишком велики для однозначного ответа.
Геонейтрино возникают при процессах, которые выделяют тепло в земных недрах. Один из его источников связан с распадом урана, тория и калия в породах коры и мантии; другой представляет собой тепло, оставшееся со времени формирования планеты. Внутреннее тепло участвует в движении пород мантии, от которого зависят тектоника плит и магнитное поле Земли. Подсчёт геонейтрино даёт исследователям способ оценивать вклад радиоактивных элементов, не добираясь до них напрямую.
Задача сложна из-за свойств самих частиц. Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом, хотя триллионы таких частиц, главным образом солнечного происхождения, проходят через тело человека каждую секунду. Даже крупные установки за годы работы регистрируют лишь небольшую долю проходящих через них нейтрино. Геонейтрино встречаются в данных ещё реже.
Измерения в Японии, Италии и Канаде
Первое обнаружение геонейтрино в 2005 году сообщил японский детектор Kamland. В 2009 году итальянский эксперимент Borexino зарегистрировал ещё несколько десятков. Канадский детектор SNO+ представил первые результаты в ноябре 2025 года: они увеличили общее число наблюдавшихся геонейтрино примерно на 50. SNO+ расположен в Западном полушарии, где такие измерения провели впервые.
SNO+ находится в лаборатории Snolab на глубине около 2 км в канадском Садбери. Его акриловая сфера заполнена 780 тоннами жидкого сцинтиллятора: вещество испускает вспышки света при взаимодействии с энергичными частицами. За ними следят почти 10 тысяч чувствительных детекторов. Установку окружает около 7 тысяч тонн особо чистой воды, а слой породы над лабораторией ослабляет поток космического излучения.
До входа в лабораторию люди, спускающиеся через шахту, оставляют рабочую одежду, принимают душ и переодеваются, чтобы не занести радиоактивную пыль. Техник Мэтт Депати объяснил назначение этой процедуры коротко: «Душ нужен не вам, а науке». Во время обслуживания ему приходится осматривать установку изнутри заполненной водой полости.
Первые оценки показывают различия между площадками, но установить их причину ещё нельзя. После поправок поток геонейтрино из мантии выглядит высоким у Borexino и низким у Kamland. Для участка под Канадой исследователи предварительно получают промежуточное значение. Это может указывать на неоднородное распределение радиоактивных элементов в мантии, однако неопределённость измерений допускает и другие объяснения.
Почему сигнал геонейтрино трудно превратить в карту мантии
Детектор не определяет происхождение частицы автоматически. Физики отбирают подходящие события по их свойствам, исключают фон и учитывают нейтрино от ядерных реакторов. Затем им нужно оценить вклад земной коры, особенно пород в пределах нескольких сотен километров от установки. После вычитания этих сигналов можно судить о геонейтрино, пришедших из мантии.
Местная геология добавляет сложности каждому измерению. Рядом с SNO+ находится бассейн, образовавшийся после столкновения с крупным небесным телом около 1,8 млрд лет назад; радиоактивность окружающих пород ещё требует уточнения. Остаётся неопределённой и общая доля тепла мантии, которую даёт распад радиоактивных элементов. Оценки по потоку геонейтрино допускают диапазон от небольшой части до половины этого тепла.
Геохимики обычно исходят из того, что движение пород перемешивает радиоактивные элементы в мантии. Если будущие измерения подтвердят различия потоков, это предположение придётся проверить. Области, для которых предполагается наиболее сильный поток геонейтрино, расположены примерно над двумя огромными структурами у границы с ядром: одна находится под Африкой, другая под Тихим океаном. Их состав и происхождение остаются предметом исследований.
Новые данные должен добавить китайский эксперимент JUNO. Его детектор с более чем 20 тысячами тонн сцинтиллятора начал работу в августе 2025 года; первые результаты по геонейтрино ожидаются в 2026 году. По расчётам исследователей, за первый год JUNO может зарегистрировать больше этих частиц, чем Kamland, Borexino и SNO+ вместе за десятилетия. Сравнить площадки точнее помогут новые измерения и более подробные геологические модели вокруг каждого детектора.
Геохимик Уильям Макдоно предлагает ещё один способ уменьшить влияние земной коры: разместить детектор на дне океана, вдали от богатых радиоактивными элементами континентальных пород. Океаническая кора тоньше и однороднее, поэтому выделить сигнал мантии там было бы проще. Проект оценивают в сотни миллионов долларов, и государственного финансирования он до сих пор не получил. Различия между действующими площадками будут проверять по результатам JUNO и по мере накопления данных.
