Эксперимент БОРЕКСИНО регистрирует нейтрино, рожденные в недрах Земли

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 12-13 (2010)

1 марта коллаборация БОРЕКСИНО объявила о наблюдении геонейтрино на своем детекторе в подземной лаборатории в Гран Сассо (Италия). Впервые достоверно наблюдается антинейтринный сигнал с энергетическим спектром, соответствующим ожидаемому от бета-распадов радиоактивных элементов из цепочек урана-238 и тория-232. Таким образом, впервые подтверждено присутствие радиогенного вклада в тепло, производимое в недрах Земли.

Международная коллаборация БОРЕКСИНО, включающая ОИЯИ и научно-исследовательские институты из Италии, США, Германии, России, Польши и Франции, с 2007 года набирает данные на детекторе, предназначенном прежде всего для изучения низкоэнергетических солнечных нейтрино в режиме реального времени. В коллаборации от России участвуют РНЦ "Курчатовский институт", ПИЯФ и НИИЯФ МГУ.

Регистрация таких "неуловимых" частиц, как нейтрино, осложняется наличием присутствующих в той или иной степени в любых материалах естественных радиоактивных примесей, которые могут имитировать процессы нейтринного взаимодействия. Поэтому значительные усилия исследователей в проекте БОРЕКСИНО были направлены на подбор радиационно-чистых материалов для сооружения детектора и разработку новых технологий очистки жидкостей и газов от естественных радиоактивных примесей. В результате исследований, продолжавшихся около 10 лет, удалось достичь рекордных результатов. На сегодня центральная область детектора БОРЕКСИНО, в которой регистрируются нейтринные взаимодействия, является самым чистым материалом на Земле с точки зрения внутренней радиоактивности.

Созданный коллаборацией высокочувствительный детектор пригоден также для многоцелевых исследований в области физики нейтрино, астро- и геонейтринной физики.

Геонейтрино - это антинейтрино, образующиеся в распадах элементов из цепочек радиоактивных распадов урана и тория, а также калия-40 и рубидия-87, присутствующих в коре и мантии Земли. Предполагается, что распады радиоактивных элементов вносят значительный, хотя и до сих пор точно не известный, вклад в нагрев недр нашей планеты. 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.

Механизм генерации тепла в недрах Земли является фундаментальной проблемой геологии. Измерения показали, что это тепло составляет около 40 ТВт. Важность изучения геонейтрино в связи с проблемой тепла Земли было впервые отмечено Дж. Эдером и Дж. Марксом в 60-х, тогда же академик М.А.Марков обратил внимание на возможность регистрации геонейтрино в реакции обратного бета-распада на протоне (эта реакция используется в детекторе БОРЕКСИНО).

Современное теоретическое изучение проблемы началось с работы Л.М.Краусса, С.Л.Глэшоу и Д.Н.Шрамма в 1994 году. О первом экспериментальном указании на присутствие геонейтринного сигнала впервые было заявлено в 2004 году японско-американской коллаборацией на основании данных, полученных на детекторе КамЛЭНД, расположенном в шахте Камиока в Японии. Из-за большого числа ядерных станций вблизи детектора, излучающих при работе антинейтрино, практически не отличимые от геонейтрино, изучение геонейтрино в лаборатории Камиока затруднено. Гран Сассо является более удачным местом для регистрации геонейтрино, так как лаборатория расположена в центре Италии, достаточно далеко от европейских атомных реакторов, которых в самой Италии нет. Помимо этого, уровень очистки жидкого сцинтиллятора, достигнутый в БОРЕКСИНО, превышает аналогичные показатели любого другого детектора. Как следствие, уровень фона для измерения геонейтринного сигнала в БОРЕКСИНО оказался в 100 раз меньше.

Регистрация геонейтрино в БОРЕКСИНО подтвердила гипотезу о том, что радиоактивность вносит значительный, если не определяющий, вклад в разогрев Земли. Возможны другие источники разогрева, такие как процесс гравитационной дифференциации земного вещества по плотности и приливное взаимодействие Земли и Луны. Как альтернатива рассматривался мощный ядерный геореактор в центре Земли, но такая возможность практически исключена данными, полученными на БОРЕКСИНО, - мощность подобного реактора с большой вероятностью не может превышать 3 ТВт, более мощный реактор в центре Земли давал бы заметный вклад в общий сигнал детектора.

Для детального изучения вклада радиоактивных элементов в разогрев Земли необходимы измерения сетью детекторов, подобных БОРЕКСИНО, расположенных в различных точках земного шара. На сегодня существуют три детектора, чувствительных к геонейтрино. Помимо БОРЕКСИНО, это - КамЛЭНД (Япония) и СНО (Канада), поэтому уже в ближайшие годы можно ожидать новые, более точные результаты измерений.

Коллаборация БОРЕКСИНО опубликовала отчет об открытии на сайте arXiv.org.

Юрий ГОРНУШКИН, Олег СМИРНОВ